맥스웰의 도깨비에 기반한 세계에서 가장 빠른 정보엔진, 기존보다 성능이 10배 이상 향상--- '정보'를 '일'로 변환

캐나다의 사이먼 프레이저대는 정보라는 새로운 종류의 연료를 이용하는 매우 고속의 엔진을 설계했다고 발표했다.

이 연구는 2021년 5월 18일자에 미국과학아카데미기요(PNAS)에 실렸다.

이 엔진은 맥스웰의 데몬(도깨비)으로 불리는 사고실험을 실현한 것.

1867년 물리학자 제임스 클라크 맥스웰이 제창한 이 사고실험에서 가상된 데몬이란 기체분자의 움직임을 관찰할 수 있는 가공의 존재다.

사고실험에서는 온도가 균일한 기체로 채워져 있는 완전히 밀폐되어 있는 상자 안을 벽으로 2개로 나누어, 방 A와 방 B로 나눈다.

이 때 개개의 기체 분자의 속도는 반드시 균일한 것은 아니며, 방을 나누는  칸막이 벽에는 개폐 가능한 작은 구멍이 뚫려 있다.

데몬은 빠르게 움직이는 분자만을 방 A에서 방 B로, 움직임이 느린 분자만을 방 B에서 방 A로 이동시키도록 칸막이 구멍을 개폐한다.

그러면, 이윽고 빨리 움직이는 분자만이 방 B에 머물러, 데몬은 일을 하지 않고 방 B의 온도를 올릴 수 있게 된다.

이는 열역학 제2법칙인 엔트로피 증대의 법칙과는 모순된다.

이 문제는 오랫동안 논의돼 오다가 21세기 들어 정보 개념을 비평형 통계역학의 성과에 도입함으로써 데몬과 열역학 제2법칙의 정합성을 완전히 이해할 수 있음이 밝혀졌다.

맥스웰의 데몬 모델 중 가장 간단하고 본질적인 것으로 알려진 것이 시라드의 엔진이라고 불리는 1개의 입자를 사용한 열기관이다.

이 모델은 상자 본체와 상자 내부의 입자의 위치 정보를 기초로 피드백 제어를 하는 계측/제어계의 2개로 구성되어 맥스웰의 데몬에 해당하는 것이 계측/제어계다.

측정시에 '오른쪽'이냐 '왼쪽'이냐의 1비트, 즉 자연대수로 ln2의 상호정보량이 만들어진다.

이 상호 정보량이 피드백 제어 시에 kB×T×ln2 (kB=볼츠만 정수, T=상자에 접촉하고 있는 열욕의 일정 온도)의 일로 변환된다.

추출된 업무량은 측정으로 얻은 정보량 ln2에 비례해, 측정결과에 대해 피드백 제어를 함으로써 정보가 일로 변환되게 된다.

이런 맥스웰의 데몬에 기반한 엔진을 실제로 만들 수 있게 된 것은 극히 최근의 일이다.

이번에 설계된 정보엔진은 미세 입자의 랜덤으로 미세 움직임을 저장 에너지로 변환하는 것이다.

구체적으로는 물에 담근 미립자를 스프링에 붙여 그 스프링을 가동식의 스테이지에 고정한다.

그리고 입자가 열운동에 의해 위아래로 튀는 모습을 관찰한다.

위를 향해 뛰는 모습이 관찰되면 그 모습에 따라 무대를 위로 움직인다.

아래쪽의 튕김이 관찰되었을 경우는 대기한다.

이렇게 함으로써 입자의 위치 정보만으로 시스템 전체를 들어 올릴 수 있다.

이 절차를 반복하면 입자를 직접 잡아당기지 않고도 입자를 상당한 높이로 들어올릴 수 있고 그 결과 상당한 양의 중력 에너지를 축적할 수 있다.

연구실에서는 광트랩(광핀셋)이라 불리는 장치를 이용해 이 엔진을 장착하고 있다.

광핀셋은 물체에 레이저를 쬐었을 때 생기는 빛의 방사압을 이용해 핀셋으로 물체를 집듯이 세포나 입자 등을 레이저의 집광점에 트래핑하는 장치다.

이 엔진에서는 광핀셋을 이용해서 입자에 대해서 작용하는 스프링의 힘과 스테이지의 힘을 모방한 힘을 만들어 내고 있어 무거운 콜로이드 입자를 광트랩으로 보관 유지해 물에 담근다고 하는 심플한 설계로 되어 있다.

연구팀의 이론적 해석에서는 입자의 질량과 입자가 튀어오를 때까지의 평균시간 사이에 흥미로운 트레이드오프(trade off)가 있음이 밝혀졌다.

무거운 입자는 더 많은 중력 에너지를 축적할 수 있지만 보통 뛰어오를 때까지의 시간도 길어진다.

이 통찰에서 연구자들은 엔진이 에너지를 끌어내는 속도를 최대화할 수 있도록 입자의 질량과 기타 엔진 특성을 선택했다.

그 결과 기존 설계를 뛰어넘어 생세포 분자기구에 필적하는 파워와 고속으로 헤엄치는 박테리아에 버금가는 속도를 달성했다.

다른 유사한 실장에 비해 성능이 10배 이상 향상되었으며, 이는 현재 최고 수준이라고 한다.

정보를 신속하고 효율적으로 '일'로 변환하는 방법을 연구자들이 이해하는 것은 현실적인 정보 엔진의 설계와 작성에 영향을 줄지도 모른다.

또, 이 엔진 개발은 컴퓨터나 바이오 나노 테크놀로지의 속도와 코스트면에서의 대폭적인 향상으로 연결될 가능성이 있다.



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