구글의 양자 컴퓨터에서 만들어진 시간 결정이 물리학에 미치는 영향

최근 과학자들은 "구글 양자 컴퓨터 내부에서 만들어진 초자연적인 타임 크리스탈이 물리학을 영원히 바꿀 수 있다"라는 연구 결과를 발표했습니다. 발표에 따르면 이 시간 결정은 에너지를 잃지 않고 상태 사이를 영원히 순환할 수 있습니다. 구글과 협력해 작업한 연구원들은 거대 기술 기업인 구글의 양자 컴퓨터를 이용해 물질의 완전히 새로운 단계, 즉 시간 결정체를 만들었습니다.

 

에너지 손실 없이 영원히 두 상태 사이를 순환할 수 있는 능력을 갖춘 시간 결정은 물리학의 중요한 법칙 중 하나인 열역학 제2법칙을 회피합니다.

 

열역학 제2법칙은 고립된 시스템의 무질서 또는 엔트로피가 항상 증가해야 한다고 명시하고 있지만, 이 기괴한 결정체는 일정한 흐름 상태로 존재함에도 불구하고 안정적으로 유지돼 무작위로 용해되지 않습니다. 과학 학술지에 따르면 연구원들은 구글의 시카모어 양자 프로세서 코어 내부에 있는 큐비트(양자 컴퓨팅의 기존 컴퓨터 비트 버전)를 사용해 약 100초 동안의 타임 크리스탈을 만들 수 있었습니다.

 

시간 결정체는 불과 9년 전에 처음으로 존재가 예측되었던바, 물리학자들은 이 이상한 신물질 단계의 존재와 그것이 드러내는 완전히 새로운 물리적 행동의 영역에 흥분을 감추지 못했습니다. 영국 버밍엄 대학의 물리학자인 커트 폰 케이세를링크는 "이것은 매우 놀라운 일"이라며 입을 열었습니다. 이번 연구에 참여하지 않은 폰 케이세를링크는 "만일 30년, 20년, 심지어 10년 전에 누군가에게 물었다면 그들은 이것을 예상하지 못했을 것"이라며, "시간 결정체는 물리학에서 철통같은 법칙 중 하나인 열역학 제2법칙을 근본적으로 회피하기 때문에 물리학자들에게 매혹적인 대상이다"라고 이야기했습니다. 이어 그는 "엔트로피(시스템의 무질서 정도에 대한 대략적인 유사점)는 항상 증가한다고 명시되어 있다. 뭔가를 더 질서 있게 만들고 싶다면 그것에 더 많은 에너지를 쏟을 필요가 있다"라고 부연했습니다. 이러한 무질서가 커지는 경향은 이어폰 줄이 바지 주머니에서 엉키게 되는 이유와 비슷하며, "왜 재료를 다시 분리하는 것보다 혼합물에 섞는 것이 더 쉬운가?"라는 질문의 답변이 됩니다.

 

과학자들은 "과거의 우주가 현재보다 더 질서정연하다"라고 주장, 이와 관련해 한 연구원은 "비디오를 거꾸로 보는 것은 주로 이 엔트로피 흐름의 반직관적인 반전을 목격하기 때문에 이상하게 보일 수 있다"라며 이해를 돕기 위한 예시를 들었습니다. 이러한 규칙을 따르지 않는 시간 결정체는 천천히 열평형에 접근해 에너지나 온도가 주변 전체에 균등하게 분포되도록 열화하는 대신, 평형 상태 위의 두 에너지 상태 사이에 갇혀 무한정 앞뒤로 순환합니다.

 

이러한 행동이 얼마나 특이한지 설명하기 위해 폰 케이세를링크는 "백만 번 흔들기 전에 동전으로 가득 찬 봉인된 상자를 상상해 본 적이 있다"라며 운을 뗐습니다. 폰 케이세를링크는 "동전은 서로 튕겨 나가면서 흔들림이 멈출 때까지 점점 더 혼란스러워진다. 가능한 모든 종류의 구성을 탐색하고 나서야 상자가 열리면서 무작위로 동전이 드러난다. 절반은 위를 향하고 절반은 아래를 향하는 구성인데 우리는 처음 상자에 동전을 배열한 방식에 관계없이 이 무작위적인 결과를 볼 것으로 예상할 수 있다"라고 설명했습니다. 구글 시카모어의 상자 안에서 우리는 동전처럼 양자 프로세서의 큐비트를 볼 수 있습니다.

 

동전의 앞면 또는 뒷면과 마찬가지로 큐비트는 1 또는 0(2상태 시스템에서 가능한 두 위치)일 수도 있고 중첩이라고 불리는 두 상태의 확률이 기묘하게 혼합된 것일 수도 있습니다. 폰 케이세를링크는 "이상한 점은 아무리 흔들거나 한 상태에서 다른 상태로 이동해도 시간 결정체의 큐비트를 가장 낮은 에너지 상태, 즉 무작위 구성으로 이동할 수 없다는 것"이라고 짚었습니다. 이어 그는 "시작 상태에서 두 번째 상태로 전환한 다음 다시 되돌릴 수만 있다. 이것은 일종의 플립플롭에 불과하다"라고 부연했습니다. 폰 케이세를링크는 "무작위로 보이는 것이 아니라 갇히게 되는 것"이라며 "마치 처음에 어떤 모습이었는지 기억하고 시간이 지나면서 그 패턴을 반복하는 것과 같다"라고 말했습니다. 이러한 의미에서 물리학자들은 수정 결정이 절대로 멈추지 않고 흔들리는 진자와 같다고 봤습니다.

 

러프버러 대학의 물리학자인 아킬레아스 라자리데스는 "진자를 우주로부터 물리적으로 완전히 격리시켜 마찰과 공기 저항이 전혀 없게 하더라도 결국 멈출 것"이라며 "그것은 열역학 제2법칙 때문이다"라고 설명에 나섰습니다. 지난 2015년 새로운 단계의 이론적 가능성을 최초로 발견한 라자리데스는 "에너지는 진자의 질량 중심에 집중되기 시작하지만, 원자가 막대 내부에서 진동할 수 있는 방식과 같은 내부 자유도가 모두 있어 결국에는 전달된다"라고 주장했습니다. 또한 그는 "사실 터무니없는 소리 없이 대규모 물체가 시간 결정체처럼 행동할 수 있는 방법은 없다"라고 강조했습니다. 라자리데스는 "시간 결정체가 존재할 수 있게 하는 유일한 규칙은 매우 작은 세계를 지배하는 으스스하고 초현실적인 규칙, 즉 양자 역학이기 때문"이라고 이유를 덧붙였습니다.

 

양자 세계에서 물체는 점 입자와 작은 파동처럼 동시에 행동합니다. 이러한 파동의 크기는 주어진 공간 영역에서 입자를 찾을 확률을 나타내지만, 무작위성으로 인해 입자의 확률 파동이 매우 작은 영역 하나를 제외한 모든 곳에서 상쇄될 수 있습니다. 주변 환경과 함께 열화할 수 없는 입자는 국지화되는데, 연구원들은 이러한 위치 파악 과정을 실험의 기초로 사용했습니다. 과학자들은 큐비트에 20개의 초전도 알루미늄 스트립을 이용해 각 스트립을 두 가지 가능한 상태 중 하나로 프로그래밍했습니다. 스트립 위로 마이크로파 빔을 발사해 상태 반전으로 큐비트를 구동한 연구자들은 수만 번 실험을 반복하면서 큐비트의 상태를 기록하기 위해 여러 지점에서 멈춰 섰습니다.

 

이를 통해 연구원들은 큐비트 컬렉션이 두 구성 사이에서만 앞뒤로 바뀌고 큐비트가 그렇지 않다는 것을 발견했으며, 마이크로파 빔으로부터 열을 흡수해 크리스탈을 만들었습니다. 연구원들은 또한 그들의 시간 수정이 물질의 한 단계라는 중요한 단서를 포착했습니다. 연구에 참여한 한 구성원은 "어떤 단계로 간주되기 위해서는 변동에도 불구하고 일반적으로 매우 안정적이어야 한다"라며, "주변 온도가 약간씩 변해도 고체가 녹지 않으며 액체는 약간의 변동을 핑계 삼아 갑자기 증발하거나 얼지도 않는다"라고 설명했습니다. 이 연구원은 "상태 간 큐비트를 뒤집는 데 사용되는 마이크로파 빔 역시 마찬가지로, 완벽한 뒤집기에 필요한 온도로부터 약간 벗어나도록 조정된다면 큐비트는 다른 상태로 뒤집힌다"라고 부연했습니다.

 

이에 대해 라자리데스는 "정확히 180도가 아니라고 해서 뒤섞이는 것은 아니다. 시간 결정체는 약간의 실수를 하더라도 마법처럼 항상 조금씩 기울어진다"라고 첨언했습니다. 한 단계에서 다른 단계로 이동하는 또 다른 특징은 물리적 대칭이 깨지는 것, 물리 법칙은 시간 또는 공간의 어느 지점에서나 물체가 동일하다고 말합니다. 액체로서 물속의 분자는 공간의 모든 지점과 모든 방향에서 동일한 물리 법칙을 따르지만, 온도가 충분히 낮아지면 물은 얼음으로 변하고 분자는 결정 구조(또는 격자)를 따라 규칙적인 지점을 선택합니다. 공간에서 선호하는 지점을 차지한 물 분자가 다른 지점을 비워 두는 것, 이에 따라 물의 공간 대칭도 자연스럽게 깨집니다.

 

얼음이 우주에서 공간 대칭성을 깨뜨려 결정이 되는 것과 마찬가지로 시간 결정체도 시간 대칭성을 깨뜨려 시간 속 결정체가 됩니다. 시간 결정 단계로 변환되기 이전에 큐비트 행은 시간의 모든 순간 사이에서 연속적인 대칭을 경험하게 됩니다. 그러나 마이크로파 빔의 규칙적인 주기는 큐비트가 겪는 일정한 조건을 개별 패킷으로 절단, 빔에 의해 부과된 대칭을 개별 시간 변환 대칭으로 만듭니다. 그들은 빔 파장 주기의 두 배에서 앞뒤로 뒤집어 레이저에 의해 부과된 이산 시간 변환 대칭을 깨뜨리며, 우리가 아는 한 이것을 할 수 있는 최초의 물체입니다.

 

시간 결정체를 새로운 물리학의 풍부한 요소로 만드는 이 기이함은 시카모어가 다른 실험 설정을 넘어서는 제어 기능을 제공합니다. 이는 추가 연구를 위한 이상적인 플랫폼이 될 수 있지만, "개선할 수 없다"라는 뜻은 아닙니다. 구글의 양자 컴퓨터는 모든 양자 시스템처럼 큐비트가 이러한 프로세스를 거치는 것을 방지하기 위해 환경으로부터 완벽하게 격리돼야 하며 이 프로세스는 결국 양자 위치 파악 효과를 분해해서 시간 결정체를 파괴합니다. 연구원들은 프로세서를 더 효과적으로 분리하고 결 어긋남의 영향을 완화하는 방법을 연구하고 있지만, 이 효과가 영원히 제거될 가능성은 현저히 낮은 상황입니다.

 

그럼에도 불구하고 구글의 실험은 가까운 미래에 시간 결정체를 연구하는 가장 좋은 방법으로 남을 것이란 전망도 나옵니다.

 

다른 수많은 프로젝트에서는 다이아몬드, 헬륨-3 초유체, 마그논이라 불리는 준입자, 보스-아인슈타인 응축물 등 시간 결정으로 보이는 것을 다른 방식으로, 설득력 있게 만드는 데 성공했지만 이들은 너무나도 빨리 소멸됐습니다. 일각에서는 "결정의 이론적 새로움은 어떤 면에서는 양날의 검"이라는 지적도 제기됐습니다. 폰 케이세를링크는 "결정이 매우 정확한 센서로 사용될 수 있다"라고 주장했지만, 많은 물리학자들은 현재까지도 명확한 응용을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

 

또 다른 제안에는 더 나은 메모리 저장을 위해 결정을 사용하거나 훨씬 더 빠른 처리 능력을 갖춘 양자 컴퓨터를 개발하는 것이 포함됩니다. 이를 통해 양자 역학의 경계를 조사하고 있는 과학자들은 "다른 의미에서, 시간 결정의 가장 큰 응용은 이미 여기에 있을 수 있다"라고 입을 모았습니다. 라자리데스는 "이를 통해 자연에 나타나는 것을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 실제로 설계하고 양자 역학이 허용하는 것과 허용하지 않는 것을 볼 수 있다"라며 "자연에서 무언가를 찾지 못한다고 해서 그것이 존재할 수 없다는 뜻은 아니다. 우리는 단지 그런 것 중 하나를 창조했을 뿐"이라 짚었습니다.