Clock–Work Trade-Off Relation for Coherence in Quantum Thermodynamics

우리 학부의 권혁준 박사와 정현석 교수(거시양자제어연구단)는 Imperial College의 김명식 교수, Benjamin Yadin 박사, Oxford University의 David Jennings 박사와 함께 양자열역학에서의 양자 중첩 혹은 결맞음(coherence)이 일을 할 수 있는 자원과 시간 정밀 측정을 할 수 있는 자원 두 가지로 활용될 수 있으며 이 둘 사이에 일종의 불확정성 원리에 해당하는 균형 관계(trade-off relation)가 성립함을 보였다. 열역학에서 양자 중첩이 가지는 의미는 오랫동안 큰 흥미를 불러일으켰다. 서로 같은 에너지를 가지는 양자 상태들의 결맞음을 이용하면 고전적인 에너지 분포를 보존하면서도 추가적인 일이 가능하며, 이는 고전 열역학에서는 대응되는 부분이 없는 순수하게 양자이론으로부터 얻을 수 있는 일이다. 한편, 서로 다른 에너지 상태들 사이의 결맞음을 통해서는 추가적인 일을 추출할 수는 없지만, 시간에 대한 양자 정밀 측정(quantum metrology)에 필요한 자원이 된다. 흥미롭게도 이러한 시간 측정 자원은 열역학적인 과정을 통해서 증가할 수 없으며, 이는 양자 결맞음의 관점에서 본 열역학 제 2법칙에 해당한다고 할 수 있다. 최종적으로 이번 연구를 통해서 양자 상태는 일과 시간에 관계된 두 자원을 동시에 최대로 가질 수 없으며, 이 두 자원 사이의 균형 관계가 성립함을 증명하였다. 이 결과는 양자역학의 시간-에너지 불확정성 원리의 한 형태로 이해할 수 있다.

In thermodynamics, quantum coherences—superpositions between energy eigenstates—behave in distinctly nonclassical ways. Here we describe how thermodynamic coherence splits into two kinds—“internal” coherence that admits an energetic value in terms of thermodynamic work, and “external” coherence that does not have energetic value, but instead corresponds to the functioning of the system as a quantum clock. For the latter form of coherence, we provide dynamical constraints that relate to quantum metrology and macroscopicity, while for the former, we show that quantum states exist that have finite internal coherence yet with zero deterministic work value. Finally, under minimal thermodynamic assumptions, we establish a clock–work trade-off relation between these two types of coherences. This can be viewed as a form of time-energy conjugate relation within quantum thermodynamics that bounds the total maximum of clock and work resources for a given system.

저자: Hyukjoon Kwon(서울대), Hyunseok Jeong(서울대), David Jennings(Oxford), Benjamin Yadin(Imperial), and M. S. Kim(Imperial)

Phys. Rev. Lett. 120, 150602 (2018) - Published 12 April 2018

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.150602