홀로그램 우주 이론을 뒷받침하는 양자 컴퓨터로 시뮬레이션 된 웜홀

양자 컴퓨터의 시뮬레이션

최근 과학자들은 "양자 컴퓨터로 시뮬레이션 된 웜홀이 우주가 홀로그램이라는 이론을 뒷받침할 수 있다"라는 연구 결과를 발표했습니다. 구글의 시카모어 2 컴퓨터에서 수행된 이 양자 실험은 시뮬레이션 된 두 개의 블랙홀을 통해 데이터를 전송했고 우주의 홀로그램 원리에 무게를 더했습니다. 물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용해 최초의 홀로그램 웜홀을 시뮬레이션했으며 정보를 전송했습니다. 구글의 시카모어 2 양자 컴퓨터에서 생성된 베이비 웜홀은 중력이 아니라 양자 얽힘을 통해 생성됐습니다. 양자 얽힘이란 연결된 두 입자 중 하나를 측정할 때 즉시 다른 입자에 영향을 준다는 이론입니다.

 

물리학자들은 아주 작은 초전도 회로에 큐비트, 즉 양자 비트를 얽힘으로써 정보가 전송되는 통로를 만들 수 있었습니다. 해당 실험에 참여한 연구진들은 "우리 우주가 양자 정보로 엮인 홀로그램이라는 가설을 더욱 발전시킬 가능성이 있다"라고 말했습니다. 캘리포니아 공과대학의 물리학자이자 수석 저자인 마리아 스피로풀루는 기자 회견에서 "이것은 실험실에서 양자 중력을 조사하기 위한 초기 단계"라고 이야기했습니다. 데이터를 봤을 때 공황 발작이 일어날 정도였다는 스피로풀루는 "우리는 그 데이터를 유지하려고 노력하고 있다"라고 덧붙였습니다.

 

마치 오리처럼

웜홀은 양쪽 끝이 블랙홀로 연결된 시공간을 통과하는 가상의 터널입니다. 자연계에서 두 블랙홀의 엄청난 중력은 웜홀의 조건을 만드는 데 도움이 되지만, 실험에서 시뮬레이션한 웜홀은 조금 다릅니다. 양자 순간 이동이라는 과정을 이용해 두 개의 블랙홀을 모방한 이 장난감 모형에 구멍을 뚫은 연구진들은 포털을 통해 정보를 보냅니다. 이러한 과정은 매우 뚜렷해 보이지만 실험에 참여한 한 연구원은 "결국 그다지 다르지 않을 수도 있다"라고 전했습니다.

 

홀로그램 원리라는 가설에서 블랙홀 특이점 주위에서 분해되는 중력 이론, 즉 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 실제로 큐비트와 같이 매우 작은 물체를 지배하는 이상한 규칙(양자 역학)에서 나타날 수 있으며, 그들의 실험은 이것이 사실이라는 첫 번째 단서를 제공했습니다. 다행히도 양자 컴퓨터의 블랙홀 유사체는 우주에 숨어 있는 모든 것을 먹어 치우는 괴물과 동일하지 않았습니다.

 

그러나 연구자들은 블랙홀이 실제의 이상한 변종으로 간주될 만큼 충분히 가깝게 시뮬레이션하였는지, 또 궁극적으로 양자 컴퓨터 균열을 신생 블랙홀이라고 불렀는지에 대해서는 확신할 수 없습니다. 연구 공동 저자이자 페르미 연구소의 연구 부국장인 조셉 리켄은 "그것은 오리처럼 보이고, 오리처럼 걷고, 오리처럼 꽥꽥거린다. 이것이 현시점에서 우리가 말할 수 있는 것"이라고 발언, "우리가 보는 속성으로 볼 때 웜홀처럼 보이는 것이 있다"라고 첨언했습니다.

 

아인슈타인의 예언

웜홀에 대한 아이디어는 알베르트 아인슈타인과 그의 동료 네이선 로젠의 작업에서 처음 나타났습니다. 아인슈타인은 1935년 유명한 논문에서 일반 상대성 이론을 통해 블랙홀이 광대한 거리를 잇는 다리로 연결될 수 있음을 입증했습니다. 이 이론은 특이점이라고 불리는 공간의 지점에 대한 대안적 설명을 제공하려는 시도였습니다. 아인슈타인과 로젠은 "웜홀이 어떻게든 존재한다면 일반상대성이론이 성립한다"라고 추론했습니다.

 

1935년의 논문이 발표되기 한 달 전, 아인슈타인과 로젠, 그리고 그들의 동료인 보리스 포돌스키는 또 다른 논문을 썼습니다. 일반 상대성 이론에 관한 논문과 달리 당시 연구에서 이들은 양자 이론을 뒷받침하려는 의도가 아니라 그 터무니없는 함축으로 인해 이를 불신하게 하고자 했습니다. 세 물리학자는 "양자역학의 규칙이 사실이라면 두 입자의 특성이 불가분하게 연결되어 두 입자가 엄청난 간격으로 분리되어 있더라도 하나를 측정하면 다른 입자에 즉시 영향을 미칠 수 있다"라고 주장했습니다.

 

지금의 양자 얽힘으로 알려진 이 과정을 두고 아인슈타인은 "원거리에서의 으스스한 작용"이라 표현하며 비웃었지만, 이후 물리학자들은 이를 실제로 관찰했으며, 일반적으로 사용되고 있습니다. 이 획기적인 두 가지 예측을 제안했음에도 불구하고 아인슈타인은 양자 물리학의 본질적인 불확실성과 기묘함을 싫어했습니다. 과학자들은 "이러한 이유로 아인슈타인은 두 가지 예측이 실제로 연결될 수 있다는 중요한 통찰력을 얻지 못했을 수 있다"라고 추정했습니다. 결국 일반 상대성 이론과 양자 이론을 분리한 이 물리학자들은 중력과 양자 효과가 충돌하는 영역을 이해하지 못하게 됐습니다.

 

홀로그램 원리

아인슈타인이 이러한 난관에 봉착한 뒤 물리학자들은 크고 작은 결합, 즉 만물에 대한 이론이 어디에서 찾을 수 있는지에 대한 탐구로 온갖 종류의 다채로운 제안을 생각해 냈습니다. 그중 하나는 "전체 우주가 원격 2D 표면에서 진행되는 프로세스의 3D 홀로그램 투영"이라고 가정하는 홀로그램 원리입니다.

 

1970년대 스티븐 호킹으로부터 시작된 이 아이디어는 블랙홀이 실제로 사건의 지평선 근처에서 무작위로 튀어나오는 가상 입자의 방사선, 즉 호킹 방사선을 방출한다면, 결국 증발해 주요 규칙을 깨뜨릴 것이라는 명백한 역설을 제기한 호킹의 주장에 뿌리를 두고 있습니다. 물리학자들은 "일반 상대성 이론과 양자 역학은 이제 더 이상 화해할 수 없는 것처럼 보이지 않는다. 엄청나게 정확한 예측이 많음에도 불구하고 그들은 틀릴 수도 있다"라고 해석했습니다.

 

이 문제를 해결하기 위해 양자역학과 상대성 이론의 조화를 목표로 하는 끈 이론의 지지자들은 블랙홀에 포함된 정보가 사건의 지평선의 2차원 표면적과 연결되어 있다는 관찰을 이용했습니다. 블랙홀로 붕괴된 별에 관한 정보 역시 이 지평선 표면의 요동으로 엮여 호킹 복사로 인코딩되었고 결국 블랙홀이 증발하기 전에 보내졌습니다. 1990년대 이론 물리학자 레너드 서스킨드와 헤라르뒤스 엇호프트는 이 아이디어가 여기서 끝나서는 안 된다는 것을 깨달았습니다.

 

이들은 3D 별의 모든 정보가 2D 사건의 지평선에 표현될 수 있다면, 확장되는 지평선을 갖고 있는 우주도 마찬가지일 것이라 판단, 2D 정보를 3D로 투영했습니다. 이러한 관점에서 일반 상대성 이론과 양자 역학은 서로 분리된 이론처럼 보이지만 전혀 별개가 아닐 수도 있습니다. 한 과학자는 "시공간의 중력 뒤틀림은 우리가 보는 다른 모든 것과 함께 홀로그램 투영처럼 나타날 수 있으며 먼 지평선, 낮은 차원 표면에 있는 작은 입자의 미세한 상호 작용에서 반짝반짝 빛난다"라고 말했습니다.

 

웜홀 테스트

이 같은 아이디어를 테스트하기 위해 연구원들은 구글의 시카모어 2 컴퓨터를 이용해 단순한 홀로그램 우주의 기본 모델을 로드했습니다. 여기에는 양쪽 끝에 두 개의 양자가 얽힌 블랙홀이 포함됐습니다. 입력 메시지를 첫 번째 큐비트로 인코딩한 연구원들은 첫 번째 메시지가 마치 블랙홀에 의해 삼켜지는 것처럼 횡설수설 뒤섞인 것이 포착됐습니다. 이후 연구원들은 다른 쪽 끝에서 마치 블랙홀이 뱉어낸 것처럼, 깨지지 않고 그대로 튀어나오는 것을 목격했습니다.

 

리켄은 "지구의 서로 다른 면에 두 개의 양자 컴퓨터가 있고 이 기술을 조금만 개선하면 양자 컴퓨터가 매우 유사한 실험을 할 수 있다. 정보는 하버드 연구실에서 사라졌고, 연구실과 칼텍에 나타났다"라며 지난 실험을 돌아봤습니다. 그러면서 리켄은 "이것은 우리가 단일 칩에서 실제로 수행한 것보다 더 인상적일 것이지만, 실제로 여기서 우리가 말하는 물리학은 두 경우 모두 동일하다"라고 이야기했습니다.

 

이 실험의 놀라운 측면은 메시지가 어떤 형태로든 전달되었다는 것이 아니라 메시지가 완전히 손상되지 않고 들어간 것과 동일한 순서로 나타났다는 것입니다. 이는 실험이 물리적 웜홀처럼 행동하고 물리적 웜홀이 작동하고 있다는 핵심 단서가 됐습니다. 연구원들은 "이것은 차례로, 얽힘에 의해 구동될 수 있다"라고 설명했습니다. 이들은 또 정보가 자연에서 생각할 수 있는 가장 짧은 거리인 플랑크 길이보다 단지 몇 가지 요소만이 큰, 아주 작은 간격을 통과했다는 점에 주목했습니다.

 

한 연구원은 "더 복잡한 실험을 설계하고, 더 발전된 하드웨어에서 실험을 수행하고, 더 먼 거리로 코드를 전송하기를 원한다"라며 의지를 내비쳤습니다. 웜홀을 통해 정보를 보내는 것에서 아원자 입자와 같은 물리적인 것을 보내는 것으로 이동하는 것은 이론적으로 큰 도약을 가져오지 않지만, 실제 미니 블랙홀을 만들기 위해서는 충분히 큰 큐비트 밀도가 필요할 것입니다.