정보를 모두 일로 변환! 효율 98% 정보 엔진 구현 성공

2018.01.25 20:00

기초과학연구원(IBS)은 박혁규 첨단연성물질연구단 연구위원(현 UNIST 자연과학부 교수)이 이끄는 연구팀이 그간 불가능하다고 여겨졌던 효율 100%의 정보 엔진에 대한 이론을 제안하고 실제로 98.5%의 효율을 실제로 구현했다고 25일 밝혔다.

 

정보 엔진은 정보를 일로 전환하는 장치다. 정보 엔진은 약 150년 전에 나온 ‘맥스웰의 도깨비’라는 물리학 개념에서 출발했다.  전통적인 열역학 2법칙에 따르면 엔트로피(무질서도)는 항상 증가한다. 맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙이 맞는지 시험하기 위해 맥스웰이 고안한 사고실험이다.

 

어떤 가상의 존재(도깨비)가 온도가 같은 두 방 사이에 앉아, 두 방문 사이에 오가는 기체 분자의 위치와 속도를 측정다고 가정한다. 이 도깨비는 문을 향해 다가오는 분자가 빠른지 느린지에 따라 문을 여닫는다. 이를 반복해 빠른 기체분자와 느린 분자를 각각 다른 방에 모으면 두 방의 온도가 달라지고 결국 열역학 법칙이 깨지고 엔트로피가 감소하게 된다는 발상이다.

 

기초과학연구원 제공
완전한 맥스웰의 도깨비를 실험실에서 구현한 이번 연구를 전통적인 맥스웰의 도깨비와 비교한 모식도. 컴퓨터는 입자의 위치 정보를 읽고, 판별해 광학집게 위치를 조절(피드백) 한다. 맥스웰의 도깨비는 분자의 위치와 속도를 측정하고, 조건에 맞으면 문을 연(피드백)다.-기초과학연구원 제공

연구팀은 이론상의 맥스웰의 도깨비를 실험으로 구현했다. 먼저 정보를 일로 전환할 수 있도록 주어진 온도에서 무작위한 방향으로 움직이는 작은 입자의 위치 정보(위치에너지)를 측정했다. 그 뒤 맥스웰의 도깨비가 가진 집게에 해당하는 레이저 집게로 입자를 가뒀다. 갇힌 입자는 자유로운 움직임을 하지 못하고 레이저 안에 위치한다. 이 때 측정한 위치 정보를 외부 컴퓨터로 분석했을 때 만약 입자가 주어진 조건(예를 들어 오른쪽으로 치우친다)에 맞는 것으로 파악됐을 때에만 레이저 집게를 그 위치(여기서는 오른쪽)로 아주 조금씩 이동시켰다. 즉 다른 방향일 때는 움직이지 않고, 미리 정해진 한 방향일 때에만 움직여, 결과적으로 마치 맥스웰의 도깨비처럼 입자를 한 방향으로만 움직이도록 유도했다.  

 

박 연구위원팀은 1㎚(나노미터, 10억분의 1m) 단위로 입자 위치를 감지하고, 측정한 순간부터 20 ㎲(마이크로 초, 100만 분의 1초) 이내에 레이저를 이동시키는 시스템을 만들었다. 정보를 수 nm, 수십 ㎲ 단위의 정확도로 다루는 데 성공한 것이다.

 

박 연구위원은 “정보에서 일을 끌어낼 수 있다는 건 이론적으로나 실험적으로 증명된 바 있으나 실제 정보 엔진의 효율은 이론적으로 가능한 양에 훨씬 미치지 못했다”며 “이용가능한 정보를 완전히 일로 변환한 방법을 찾았다는 점에서 획기적”이라고 말했다. 그는 이어 “정보를 이용한 열 엔진의 실현이 앞당겨질 수도 있을 것”이라며 “이 원리를 이용한다면 나노로봇이 효율적으로 작동하는 데 매우 중요한 역할을 할 것”이라고 전망했다.

 

이번 연구결과는 물리 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 1월 12일자에 발표됐다.

 

 


 

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