이 놀라운 물리학적 혁신은 시간 측정을 재정의할 수 있습니다.

양자 시계의 예술가적 상상도. 사진 제공: 알렉산더 롬멜 & TU Wien

양자 입자의 기묘한 특성을 어떻게 활용하여 매우 정확한 측정을 수행할 수 있을까요? 이 질문은 양자 계측학 연구 분야의 핵심입니다. 한 가지 예로 원자 시계가 있는데, 원자의 양자적 특성을 이용하여 기존 시계보다 훨씬 정확하게 시간을 측정합니다.

그러나 양자 물리학의 기본 법칙은 항상 어느 정도의 불확실성을 수반합니다. 어느 정도의 무작위성이나 어느 정도의 통계적 잡음을 받아들여야 합니다. 이는 달성 가능한 정확도에 근본적인 한계를 초래합니다. 지금까지는 시계의 정확도가 두 배로 높아지려면 최소 두 배의 에너지가 필요하다는 것이 불변의 법칙처럼 여겨졌습니다. 그러나 이제 빈 공과대학교(TU Wien), 스웨덴 찰머스 공과대학교(Chalmers University of Technology), 몰타 대학교(University of Malta)의 연구진은 특별한 기술을 사용하여 정확도를 기하급수적으로 높일 수 있음을 보여주었습니다. 핵심은 시계에 초침과 분침이 있는 것처럼 두 개의 서로 다른 시간 척도를 사용하는 것입니다.

시계란 정확히 무엇인가?

"우리는 어떤 시계가 이론적으로 가능한지 원리적으로 분석했습니다."라고 빈 공과대학교(TU Wien) 원자연구소의 마르쿠스 후버 교수는 말합니다. "모든 시계에는 두 가지 구성 요소가 필요합니다. 첫째, 진자 시계의 진자나 양자 진동과 같은 시간축 생성기입니다. 둘째, 시간축 생성기에 의해 정의된 시간 단위가 이미 얼마나 경과했는지를 세는 카운터입니다."

타임베이스 생성기는 항상 정확히 같은 상태로 돌아갈 수 있습니다. 진자 시계의 진자는 한 번 완전히 진동하면 이전과 정확히 같은 위치에 있습니다. 원자 시계의 세슘 원자는 일정 횟수 진동 후 이전과 정확히 같은 상태로 돌아갑니다. 반면, 카운터는 반드시 바뀌어야 합니다. 그렇지 않으면 시계는 쓸모가 없습니다.

"이것은 모든 시계가 비가역적인 과정에 연결되어야 한다는 것을 의미합니다."라고 빈 공과대학(TU Wien)의 플로리안 마이어는 말합니다. "열역학 용어로 말하자면, 이는 모든 시계가 우주의 엔트로피를 증가시킨다는 것을 의미합니다. 그렇지 않으면 시계가 아닙니다." 진자 시계의 진자는 주변 공기 분자 사이에 약간의 열과 무질서를 생성하고, 원자 시계의 상태를 읽는 모든 레이저 빔은 열, 복사, 그리고 결국 엔트로피를 생성합니다.

"이제 우리는 매우 높은 정밀도를 가진 가상의 시계가 얼마나 많은 엔트로피를 생성해야 할지, 그리고 그에 따라 얼마나 많은 에너지가 필요할지 생각해 볼 수 있습니다."라고 마커스 후버는 말합니다. "지금까지는 선형적인 관계가 있는 것처럼 보였습니다. 즉, 1,000배의 정밀도를 원한다면 최소 1,000배의 엔트로피를 생성하고 1,000배의 에너지를 소비해야 합니다."

양자 시간과 고전 시간

그러나 빈 공과대학교 연구팀은 비엔나에 있는 오스트리아 과학 아카데미(ÖAW)와 스웨덴 칼메르스 공과대학교, 몰타대학교의 팀과 협력하여 두 가지 다른 시간 척도를 사용하면 이 명백한 규칙을 우회할 수 있음을 보여주었습니다.

"예를 들어, 한 영역에서 다른 영역으로 이동하는 입자를 사용하여 시간을 측정할 수 있습니다. 마치 모래알이 유리잔 위에서 아래로 떨어져 시간을 나타내는 것처럼요."라고 플로리안 마이어는 말합니다. 이러한 시간 측정 장치를 여러 개 직렬로 연결하여 이미 몇 개가 통과했는지 셀 수 있습니다. 이는 시계 바늘 하나가 다른 시계 바늘이 이미 몇 바퀴를 돌았는지 세는 것과 유사합니다.

"이렇게 하면 정확도를 높일 수 있지만, 더 많은 에너지를 투자하지 않고는 불가능합니다."라고 마커스 후버는 말합니다. "시계 바늘 하나가 한 바퀴 돌고 다른 바늘이 새로운 위치에서 측정될 때마다, 즉 주변 환경이 이 바늘이 새로운 위치로 이동했다는 것을 알아차릴 때마다 엔트로피가 증가합니다. 이러한 계산 과정은 되돌릴 수 없습니다."

하지만 양자 물리학은 또 다른 종류의 입자 이동도 허용합니다. 입자는 시계 다이얼 전체를 가로지르며 구조 전체를 통과할 수 있지만, 어디에도 측정되지 않습니다. 어떤 의미에서 입자는 이 과정 동안 동시에 모든 곳에 존재하게 됩니다. 입자는 최종적으로 도착할 때까지 명확하게 정의된 위치를 갖지 않습니다. 그리고 나서야 비로소 엔트로피를 증가시키는 비가역적인 과정을 통해 실제로 측정됩니다.

초침과 분침처럼

"그래서 엔트로피를 발생시키지 않는 빠른 과정, 즉 양자 수송과, 입자가 맨 끝에 도착하는 느린 과정, 즉 양자 수송이 있습니다."라고 빈 공과대학의 유리 미노구치는 설명합니다. "우리 방법의 핵심은 한 쪽은 순전히 양자 물리학의 관점에서만 작용하고, 다른 한 쪽, 더 느린 쪽만이 실제로 엔트로피를 생성하는 효과를 낸다는 것입니다."

연구팀은 이 전략이 엔트로피 증가에 따라 정확도가 기하급수적으로 증가함을 보여주었습니다. 이는 기존 이론에서 가능했던 것보다 훨씬 더 높은 정밀도를 달성할 수 있음을 의미합니다. "게다가, 이 이론은 현재 사용 가능한 가장 진보된 양자 기술 중 하나인 초전도 회로를 사용하여 현실 세계에서 검증될 수 있습니다."라고 이 연구의 공동 저자이자 찰머스 실험팀 리더인 시모네 가스파리네티는 말했습니다. "이것은 고정밀 양자 측정 및 원치 않는 변동 억제 연구에 중요한 결과입니다."라고 마커스 후버는 말했습니다. "동시에 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나인 양자 물리학과 열역학의 연관성을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250611054144.htm