양자 기계, 우주 거품의 '춤'을 엿보다
물리학자들은 우주의 궁극적인 운명을 결정할 수 있는 이해하기 힘든 현상에 새로운 빛을 던진다고 주장하는 획기적인 시뮬레이션을 수행했습니다.
약 50년 전 양자장 이론의 선구적 연구는 우주가 거짓 진공에 갇혀 있을 수 있다고 제안했습니다. 즉, 안정적으로 보이지만 사실은 훨씬 더 안정적이고 진정한 진공 상태로 전환될 직전일 수 있다는 의미입니다. 이 과정이 우주 구조에 치명적인 변화를 일으킬 수 있지만 전문가들은 타임라인을 예측하는 것이 어렵지만 천문학적으로 긴 기간, 잠재적으로 수백만 년에 걸쳐 발생할 가능성이 높다는 데 동의합니다.
3개 연구 기관 간의 국제 협업에서, 팀은 우주의 기원과 가장 작은 규모에서 입자의 행동과 관련된 과정인 거짓 진공 붕괴에 대한 귀중한 통찰력을 얻었다고 보고했습니다. 이 협업은 리즈 대학교의 즐라트코 파픽 교수와 독일 율리히 연구소의 야카 보데브 박사가 주도했습니다.
논문의 주저자인 리즈의 물리학 및 천문학과 이론 물리학 교수인 파픽 교수는 "우리는 우주가 구조를 완전히 바꾸는 과정에 대해 이야기하고 있습니다. 기본 상수는 즉시 변할 수 있고 우리가 아는 세상은 카드의 집처럼 무너질 것입니다. 우리에게 정말 필요한 것은 이 과정을 관찰하고 시간 척도를 결정하는 통제된 실험입니다."라고 말했습니다.
연구자들은 이번 연구가 양자 역학을 이해하는 데 있어 중요한 진전을 이루었으며, 양자 컴퓨팅의 미래에 대한 흥미로운 가능성을 제공하고 우주의 기본 물리학에 대한 가장 어려운 문제를 연구할 수 있는 잠재력을 제공한다고 밝혔습니다.
우주 퍼즐 시뮬레이션
리즈 대학교, 포르슌센트룸 율리히, 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 연구는 거짓 진공 붕괴의 핵심 퍼즐, 즉 그 배후에 있는 기본 메커니즘을 이해하기 위해 시작되었습니다. 그들은 D-Wave Quantum Inc.에서 설계한 양자 기계의 일종인 5564큐비트 양자 어닐러를 사용하여 양자 역학 시스템의 고유한 속성을 활용하여 가능한 솔루션 집합에서 최상의 솔루션을 찾는 복잡한 최적화 문제를 해결했습니다.
오늘(2025년 4월 2일) Nature Physics에 게재된 논문에서, 연구팀은 이 기계를 사용하여 거짓 진공에서 거품의 행동을 모방한 방법을 설명했습니다. 이러한 거품은 이슬점 이하로 냉각된 수증기에서 형성되는 액체 거품과 유사합니다. 이러한 거품의 형성, 상호 작용 및 확산이 거짓 진공 붕괴의 트리거가 될 것으로 이해됩니다.
ISTA의 박사후 연구원이자 리즈 대학교에서 박사 학위를 취득한 공동 저자인 장-이브 드솔스 박사는 "이 현상은 궤적을 따라 여러 개의 계곡이 있지만 '진정한' 가장 낮은 상태는 지면 수준에서 단 하나뿐인 롤러코스터와 비교할 수 있다"고 말했습니다.
"만약 그것이 사실이라면, 양자 역학은 우주가 결국 가장 낮은 에너지 상태 또는 '진정한' 진공으로 터널링될 수 있게 할 것이고, 그 과정은 대격변적인 세계적 사건을 초래할 것입니다."
양자 어닐러를 통해 과학자들은 거품의 복잡한 "춤"을 관찰할 수 있었습니다. 이는 거품이 실시간으로 어떻게 형성되고, 성장하고, 상호 작용하는지 포함합니다. 이러한 관찰을 통해 역학이 고립된 사건이 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 여기에는 더 작은 거품이 더 큰 거품에 영향을 미칠 수 있는 방법을 포함하여 복잡한 상호 작용이 포함됩니다.
연구팀은 그들의 발견이 빅뱅 직후에 그러한 전환이 어떻게 발생했을지에 대한 새로운 통찰력을 제공한다고 말합니다.
이 논문의 첫 번째 저자이자 Jülich의 박사후 연구원인 Vodeb 박사는 "대형 양자 어닐러의 기능을 활용함으로써 저희 팀은 기존 컴퓨팅 방법으로는 탐구하기 어려운 비평형 양자 시스템과 위상 전이를 연구할 수 있는 문을 열었습니다."라고 말했습니다.
양자 시뮬레이션의 새로운 시대
물리학자들은 오랫동안 거짓 진공 붕괴 과정이 일어날 수 있는지, 그리고 그렇다면 얼마나 걸릴지에 대해 의문을 제기해 왔습니다. 그러나 양자장론의 다루기 힘든 수학적 특성으로 인해 답을 찾는 데 거의 진전이 없었습니다.
이 복잡한 문제를 해결하려고 시도하는 대신, 팀은 새롭게 사용 가능한 장치와 하드웨어를 사용하여 연구할 수 있는 더 간단한 문제에 답하기 시작했습니다. 이는 과학자들이 이처럼 대규모로 거짓 진공 붕괴의 역학을 직접 시뮬레이션하고 관찰할 수 있었던 최초의 사례 중 하나로 여겨집니다.
실험에는 양자 컴퓨팅의 기본 구성 요소인 5564개의 큐비트를 거짓 진공을 나타내는 특정 구성에 배치하는 것이 포함되었습니다. 연구자들은 시스템을 신중하게 제어하여 거짓 진공에서 참 진공으로의 전환을 트리거하여 거짓 진공 붕괴 이론에서 설명한 대로 거품 형성을 반영할 수 있었습니다. 이 연구에서는 1차원 모델을 사용했지만 동일한 어닐러에서 3D 버전이 가능할 것으로 생각됩니다.
D-Wave 머신은 Jülich Supercomputing Centre의 Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing인 JUNIQ에 통합되어 있습니다. JUNIQ는 과학 및 산업에 최첨단 양자 컴퓨팅 장치에 대한 액세스를 제공합니다.
파픽 교수는 "우리는 이런 종류의 것들을 연구하기 위해 간단한 실험을 수행할 수 있는 시스템을 개발하려고 노력하고 있습니다. 우주에서 일어나는 이런 과정의 시간 척도는 엄청나지만, 어닐러를 사용하면 실시간으로 관찰할 수 있으므로 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 있습니다.
"최첨단 양자 시뮬레이션과 심층 이론 물리학을 결합한 이 흥미로운 연구는 우리가 우주의 가장 큰 미스터리 중 일부를 해결하는 데 얼마나 가까이 다가갔는지를 보여줍니다."
이 연구는 UKRI 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC)와 Leverhulme Trust에서 자금을 지원했습니다. 연구 결과에 따르면 우주의 기원과 운명에 대한 통찰력을 얻으려면 CERN의 대형 강입자 충돌기 같은 전용 고에너지 시설에서 수백만 파운드 규모의 실험이 반드시 필요한 것은 아닙니다.
파픽 교수는 "우주의 근본적인 역동적 과정을 이해하기 위한 테이블탑 '실험실' 역할을 효과적으로 할 수 있는 이러한 새로운 도구를 갖게 되어 기쁘다"고 덧붙였습니다.
실제 세계 영향
연구자들은 이러한 연구 결과가 양자 어닐러가 이론 물리학을 훨씬 뛰어넘는 실제 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여준다고 말합니다.
연구자들에 따르면, 이 연구는 우주론에 대한 중요성을 넘어 양자 컴퓨팅을 발전시키는 데 실질적인 영향을 미칩니다. 그들은 거짓 진공에서 거품 상호 작용을 이해하면 양자 시스템이 오류를 관리하고 복잡한 계산을 수행하는 방식이 개선되어 양자 컴퓨팅을 보다 효율적으로 만드는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.
Vodeb 박사는 "이러한 획기적인 발견은 과학 지식의 경계를 넓힐 뿐만 아니라 암호화, 재료 과학, 에너지 효율적 컴퓨팅과 같은 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 미래 기술의 길을 열어줍니다."라고 결론지었습니다.
EPSRC 전략 담당 이사인 케다르 판디아 박사는 "호기심에 기반한 연구는 EPSRC가 지원하는 작업의 중요한 부분입니다.
이 프로젝트는 그 작업의 훌륭한 시연으로, 기본 양자 물리학의 아이디어와 양자 컴퓨팅의 기술적 발전이 결합되어 우주의 본질에 대한 심오한 질문에 답하는 데 도움이 됩니다."라고 말했습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250204132418.htm
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