과학자들이 존재해서는 안 될 이례적인 새로운 형태의 물질을 만들어냈습니다.

시간에 따른 자기장 조절은 완전히 새로운 형태의 물질을 만들어낼 수 있으며, 양자 기술의 더욱 안정적인 미래를 열어줄 수 있습니다. (사진 제공: AI/ScienceDaily.com)

양자 기술은 방대하고 복잡한 데이터 세트를 처리하는 방식을 혁신적으로 변화시킬 것으로 널리 기대되고 있습니다. 현재는 주로 연구실에서 사용되고 있지만, 다양한 산업 분야에 걸쳐 실제 응용 분야로 꾸준히 확장되고 있습니다.

최근 양자 물리학의 기본 원리를 탐구하는 한 연구에서 연구진은 원자, 전자, 광자를 포함한 극미세 규모에서 물질이 어떻게 행동하는지 조사했습니다. 캘리포니아 공과대학 물리학과 강사인 이안 파월이 이끈 이 연구는 시간에 따라 자기장을 변화시켰을 때 물질이 이전에는 볼 수 없었던 특이한 성질을 나타내는 방식에 초점을 맞췄습니다.

파월 교수와 2025년 캘리포니아 폴리테크닉 대학교에서 물리학 학사 학위를 받은 학생 연구원 루이스 부칼터는 "플럭스 스위칭 플로케 공학(Flux-Switching Floquet Engineering)"이라는 제목의 논문을 Physical Review B에 발표했습니다. 이들의 연구는 자기장을 제어된 방식으로 시간에 따라 변화시키면, 시간이 지나도 변하지 않는 물질(시간이 흘러도 같은 상태를 유지하는 물질)에서는 존재하지 않는 양자 상태를 생성할 수 있음을 보여줍니다.

"큰 그림으로 보자면, 이번 연구는 시간에 따라 변화하는 제어를 통해 새로운 형태의 양자 물질을 생성하고 조직화하는 방식을 이해하는 데 있어 진전을 이룬 것이라고 할 수 있습니다."라고 파월은 말했다. "핵심 아이디어는 유용한 양자적 특성이 물질의 본질뿐만 아니라 시간에 따라 어떻게 작용하는지에 따라서도 달라질 수 있다는 것입니다. 이번 연구에서는 주기적으로 변화하는 자기장이 정적인 상태에는 대응되는 것이 없는, 시간에 따라 변화하는 양자 위상을 만들어낼 수 있음을 보여줍니다."

보다 안정적인 양자 기술을 향하여

과학자들은 자기장을 가하는 시점을 신중하게 조절함으로써, 더욱 안정적이고 "잡음"이나 불완전성에 덜 취약한 양자 시스템을 설계할 수 있습니다. 이러한 교란은 양자 기술에서 주요 과제이며, 종종 계산 오류나 시스템 성능 저하로 이어집니다.

파월은 기술적인 세부 사항은 해당 분야 외부에서는 설명하기 어려울 수 있지만, 더 넓은 개념은 명확하다고 언급했습니다. 이번 연구 결과는 극저온 원자 실험과 같은 통제된 환경에서 이러한 특이한 양자 상태를 생성하고 연구하는 새로운 방법을 제시합니다.

"이번 연구의 가장 직접적인 산업적 관련성은 현재로서는 특정 최종 사용 분야보다는 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션 분야에 있습니다."라고 파월은 말했습니다. "제약, 금융, 제조 또는 항공우주와 같은 분야에 미치는 영향은 장기적으로 더 나은 양자 기술 개발에 기여하는 간접적인 형태일 가능성이 높습니다. 산업 현장에 적용하기 위해서는 다음 단계로 실험적 검증과 이러한 아이디어를 현실적인 양자 장치 플랫폼과 연결하는 추가 연구가 필요합니다."

양자 시스템에서 나타나는 새로운 수학적 패턴

이번 연구는 새로운 양자 상태를 생성하는 것 외에도 고차원 양자 시스템에서 흔히 발견되는 패턴을 반영하는 수학적 조직 원리를 밝혀냈습니다. 이는 변화하는 조건에 의해 구동되는 비교적 단순한 시스템이 더욱 복잡한 양자 물리학을 탐구하는 새로운 방법을 제공할 수 있음을 시사합니다.

연구팀은 이러한 특이한 상태가 어떻게 형성되는지도 규명하여 시스템의 위상학적 상평도에서 정확한 구조를 밝혀냈습니다. 이 상평도는 각각 고정된 위상학적 속성으로 정의되는 다양한 안정적인 양자 상태를 시각적으로 보여주는 역할을 합니다.

양자 제어가 컴퓨팅에 중요한 이유

양자역학은 컴퓨팅 시스템이 기존 컴퓨터의 능력을 훨씬 뛰어넘는 방식으로 정보를 처리할 수 있도록 해줍니다. 이러한 시스템은 대규모 시뮬레이션을 수행하고, 방대한 데이터 세트를 분석하며, 복잡한 문제를 더욱 효율적으로 해결할 수 있습니다.

자기장은 이 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 자기장은 양자 정보의 기본 단위인 양자 비트(큐비트)를 제어하고 측정하는 데 일반적으로 사용됩니다. 큐비트는 물리적 전기적 상태를 나타내는 데 사용되는 고전 컴퓨팅(현재 일반적인 컴퓨팅에 적용됨)의 0과 1의 단위와 유사합니다.

학생 연구 경험 및 향후 진로

부할터에게 이번 연구 참여는 연구 과정과 과학적 소통에 대한 귀중한 통찰력을 제공했습니다.

"연구 수행 과정과 새로운 연구 결과를 더 넓은 과학계에 효과적으로 전달하는 방법에 대한 많은 내용을 다룹니다."

"연구는 결코 순탄한 과정이 아니며, 연구 프로젝트를 진행하는 동안 끈기와 창의적인 문제 해결 능력이 요구되는 경우가 많다는 것을 알게 되었습니다."라고 부찰터는 말했습니다. "저희 연구 결과는 플로케 공학이 고도로 조절 가능한 특성을 가진 양자 시스템을 구현하는 데 얼마나 강력한지 보여주는 데 도움이 되며, 주기적으로 구동되는 양자 물질에 ​​대한 추가 연구와 그 응용 분야 개발의 길을 열어줄 것이라고 생각합니다."

부찰터는 올가을 워싱턴 대학교에서 재료과학 및 공학 석사 과정을 시작할 예정이며, 그곳에서 양자 물질에 ​​대한 실험 연구에 집중할 계획입니다. 그는 또한 향후 국립 연구소에서 양자 장치 개발 관련 업무를 담당하는 것도 고려하고 있습니다.

"처음에는 응집물리학에 대한 관심 때문에 이 프로젝트를 맡게 되었지만, 경험을 통해 양자 물질 분야에 매료되었습니다."라고 부할터는 말했습니다. "양자 물질 연구를 계속하고 전자 및 광자 장치에 대한 응용 분야 개발에 기여하고 싶습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260504154014.htm