[논문 리뷰] Quantum gravity and information theories linked by the physical properties of the bit

Antonio Alfonso‐Faus|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 16.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중력의 기본 양자 단위가 비트—정보의 최소 단위—임을 보여줌으로써 최소한의 에너지와 중력 위치 에너지를 지닌다고 제안한다. Weinberg의 관계식과 Bekenstein의 최대 정보 한계를 통합함으로써 저자께서는 1비트의 정보를 엔트로피 k(Boltzmann 상수)와 동일시하며, 이는 플랑크 규모보다 61개 주문 아래에 위치함을 보여주며, 이로써 비트의 물리적 성질을 통해 양자 중력 이론과 정보 이론을 연결한다.

ABSTRACT

Quantum gravity, and quantum cosmology, is not yet a complete nor consistent theory. One of the reasons for this is that the identification of the quantum of gravity is still very elusive. Here we show that the quantum of gravity is the minimum quantum of energy in nature, and we identify its physical properties. On the other hand, information theory has at its base the unit of information, the bit, and relies upon this entity that has no clear or definitely identified physical properties either. Here we prove that the bit has the absolute minimum of energy, and that it is the quantum of gravitational potential energy. Therefore the physics of the quantum of gravity and the physics of the quantum of information are parallel. We identify the entropy of 1 bit with the Boltzmann constant k, 61 orders of magnitude below the Planck scale as of today. It is the unit of entropy. These findings move forward the state of the art of two very important fields: quantum gravity and information theories. A new insight is also given for information entropy. We obtain these results thanks to the combination of two important contributions to science from the past: Weinberg relation and the Bekenstein maximum information limit.

연구 동기 및 목표

• 양자 중력 이론의 일관성 결여 문제를 해결하기 위해 중력의 양자 단위를 규명하는 것.
• 정보 이론에서 여전히 정의되지 않은 정보 비트의 물리적 성질을 명확히 하는 것.
• 비트를 물리적 실체로 간주함으로써 양자 중력 이론과 정보 이론 간의 기본적 연결 고리를 수립하는 것.
• 1비트의 엔트로피를 볼츠만 상수 k와 동일시하여 정보 엔트로피의 물리적 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• 에너지와 중력 위치 에너지 간의 Weinberg 관계식을 조합하여 최소 에너지 양자 단위를 유도하는 것.
• 공간의 특정 영역에 담을 수 있는 최대 정보량을 제약하기 위해 Bekenstein의 최대 정보 한계를 적용하는 것.
• 플랑크 규모를 기준으로 하여 단일 비트의 에너지와 엔트로피를 결정하는 것.
• 에너지와 중력 위치 에너지를 동시에 최소화함으로써 비트의 물리적 성질을 유도하는 것.
• 1비트의 엔트로피를 볼츠만 상수 k로 할당하여 정보 엔트로피의 물리적 단위를 설정하는 것.
• 비트가 중력 위치 에너지의 양자 단위이자 절대 최소 에너지를 지닌다는 것을 입증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력의 양자 단위의 물리적 기초는 무엇이며, 이를 기본적인 실체로 식별할 수 있는가?
• RQ2 정보 비트의 물리적 성질은 무엇이며, 최소 에너지를 부여할 수 있는가?
• RQ3 정보 엔트로피 개념은 볼츠만 상수와 같은 물리적 상수에 기반을 두울 수 있는가?
• RQ4 최소 에너지 양자 단위는 중력 이론과 정보 이론 원리 양쪽과 연결될 수 있는가?
• RQ5 플랑크 규모와 단일 비트의 엔트로피 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 중력의 양자 단위로 비트—정보의 기본 단위—가 식별되었으며, 자연계에서 절대 최소 에너지를 지닌다.
• 비트는 가능한 한 최소한의 중력 위치 에너지를 지니며, 이로써 직접적으로 양자 중력 이론과 연결된다.
• 1비트의 엔트로피는 물리적으로 볼츠만 상수 k와 동일하며, 플랑크 규모보다 61개 주문 아래에 위치한다.
• 이 동치성은 정보 엔트로피에 물리적 기반을 마련하며, 열역학에 기반을 두게 한다.
• Weinberg의 관계식과 Bekenstein의 정보 한계를 조합함으로써 비트의 물리적 성질을 도출할 수 있었다.
• 이러한 발견은 비트가 정보의 양자이자 중력 에너지의 양자이므로, 양자 중력 이론과 정보 이론을 통합함을 보여준다.