저렴한 수정은 훌륭한 양자 타임머신을 만든다.

 

양자 체제에서 열역학의 복잡성을 이해하려면 시계를 되돌릴 수 있어야 한다.

열역학(thermodynamics)은 열(thermo)과 동력(dynamics)이 합쳐진말로서 열과 역학적 일의 기본적인 관계를 기본으로 열 포함 자연계 안에서 에너지의 흐름을 다루는 물리학의 한 분야이다. 

 

양자 역학은 고전 세계의 규칙에 따르지 않는 것으로 악명이 높다. 양자 이상의 가장 유명하고 근본적인 예 중 하나는 입자의 위치와 운동량과 같은 두 개의 관측 가능한 양이 양립할 수 없거나 동시에 측정할 수 없다는 생각이다. 둘 다 측정하려면 측정 순서가 중요하다. 수학적 용어로, 이들의 정류자(운동량과 운동량을 뺀 값)는 0이 아니다. 시간 진화 시스템을 고려할 때, 서로 다른 시간에서 측정된 두 양, 예를 들어 시간 0에서의 위치와 시간 t > 0에서의 운동량 사이에서 소위 시간 외 순서(Out-of-Time-order, OTO) 정류자에 대해 이야기하는 것이 도움이 될 수 있다. 이론적 관점에서 볼 때, 나중에 측정을 먼저 하고 더 일찍 한다는 생각에는 역설적인 것이 없다. 두 번째 치수이다. H는 시스템의 해밀턴 연산자인 eiHt의 인자를 그 사이에 적으면 된다. 그리고 아마도 놀랍게도, 실험자들도 양자 시스템의 시계를 되돌리는 요령을 가지고 있다. 비록 그들은 구현하기 어려울 수 있지만, 그래서 OTO 정류자들은 수학적으로나 물리적으로 모두 의미가 있다. OTO 정류자는 양자 시스템이 열평형을 향해 어떻게 진행되는지를 설명하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 양자 정보가 초기에 국부적인 스핀 들뜸이 상호 작용하는 스핀 체인을 따라 확산되면서 어떻게 전파되는지 설명한다. 처음에, 체인의 반대쪽 끝에 있는 스핀의 상태는 관찰할 수 있다: 하나를 측정하는 것은 다른 하나에 영향을 미치지 않다. 시간이 지남에 따라 각 스핀의 영향력이 시스템 전체로 확산됨에 따라 OTO 정류자가 꾸준히 증가합니다. 하지만 양자역학은 더 많은 놀라운 것들을 준비하고 있습니다. 다양한 이유로, 양자 시스템은 심지어 효과적으로 무한한 온도에서도 완전히 열화되지 않을 수 있다. 이러한 경우에는 OTO 정류자가 더 느리게 증가하거나 전혀 증가하지 않다. 지금까지, OTO 정류자에 대한 연구는 대부분 상대적으로 작거나 단순한 시스템에 국한되어 왔다. 이론가들은 그들의 계산 자원에 의해 제한되고 실험자들은 그들이 일관성 있게 조작할 수 있는 갇힌 이온이나 고체 상태의 스핀의 수에 의해 제한된다. 두 그룹 모두 아직 열화 시스템에서 양자 역학의 모든 특성을 탐구하지 못했다.

이제 MIT의 Paola Cappellaro와 그녀의 동료들은 그 답이 놀랍도록 간단한 실험 환경에 있을 수도 있다는 것을 발견하고 있다. 정교한 스핀 체인과 복잡한 레이저 네트워크 대신 저렴한 천연 결정(eBay에서 10달러에 구입)과 일반적인 NMR 기계를 사용한다. 결정의 구조는 플루오로아파타이트라고 불리는 물질로 그림에 나타나 있다. 빨간색으로 표시된 그것의 불소 원자는 긴 1차원 스핀 체인처럼 행동할 수 있도록 서로로부터 충분히 분리된 기둥으로 배열된다. 연구자들은 스핀 체인이 경험하는 효과적인 해밀턴 연산자를 조작하기 위해 확립된 NMR 방법을 사용한다. (평균 해밀턴 이론이라고 불리는 이 기술의 원리는 클레어 그레이와 로버트 티코의 논문, 물리학 투데이 2009년 9월, 44페이지에 설명되어 있다. 따라서 그들은 인접한 불소 스핀 사이의 결합을 조정하고, 결정의 다른 원자에 의해 유도되는 무질서를 켜거나 끌 수 있으며, 심지어 시간을 거꾸로 돌릴 수도 있다.

특히, NMR은 집단적인 조작과 방법을 만드는 것으로 제한된다. 개별 스핀의 상태를 제어하거나 관찰하는 것은 불가능하다. 그러나 단일 사이트 주소 지정 기능은 필요하지 않습니다. 집단 제어는 OTO 정류자가 특징적으로 양자 방식으로 행동하는 것을 관찰하기에 충분하다. 카펠라로와 동료들은 플루오로 아파타이트 스핀 체인의 효과적인 해밀턴 연산자를 조정함으로써 열화되지 않는 양자 시스템과 열화되지 않는 양자 시스템의 뚜렷한 특징을 관찰했다.