연구팀이 양자 시계의 작동 자체와 측정에 드는 엔트로피적 비용을 측정하기 위한 준비를 하고 있다. 영국 옥스퍼드대 제공

2025년은 양자 역학 탄생 100주년이 되는 해다. 이 때문에 양자 컴퓨터, 양자 통신 등 양자 역학을 응용한 다양한 연구에 대한 일반인들의 관심도 커지고 있다. 양자 역학을 이용한 많은 기기 중에 양자 시계가 있다. 양자 시계는 원자의 안정적인 진동수로 시간을 측정하는 장치로, 일반 시계와 비교하면 300억 년 동안 1초도 틀리지 않을 정도로 엄청난 정확성을 가진 것으로 알려졌다. 그런데, 유럽 물리학자들이 대단한 정확도를 갖춘 양자 시계 작동의 숨겨진 비밀을 풀어내 눈길을 끈다.

영국 옥스퍼드대 공학부, 재료과학과, 킹스 칼리지 런던(KCL) 물리학과, 오스트리아 빈 공과대 원자력 연구소, 국립과학기술원(ISTA), 국립 과학 아카데미, 스위스 이론물리학 연구소, 취리히대 물리학과, 이탈리아 밀라노 공과대 물리학과, 아일랜드 트리니티 칼리지 더블린(TCD) 물리학과 공동 연구팀은 엔트로피 관점에서 양자 시계를 읽는 데 드는 에너지 투입 비용이 시계를 구동하는 데 드는 비용보다 훨씬 크다고 22일 밝혔다. 이번 연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 11월 14일 자에 게재됐다.

양자 시계는 초정밀 내비게이션 시스템을 작동할 때는 물론 우주의 비밀이나 새로운 물질 탐구 같은 기초 과학 연구에도 활용된다. 또 양자 통신과 네트워크 구축에도 초정밀 양자 시계 작동은 필수적이다. 초정밀 양자 장치의 내부 시계는 에너지 효율성이 중요하다. 문제는 지금까지 양자 시계의 열역학에 관해서는 명확히 밝혀지지 않았다는 점이다.

연구팀은 양자 규모에서 시간을 측정하는 데 드는 실제 열역학적 비용과 비용 중 얼마나 많은 부분이 측정 행위 자체에서 발생하는지에 초점을 맞췄다.

연구팀은 단일 전자가 ‘이중 양자점’으로 알려진 두 개의 나노 규모 영역 사이를 점프하는 것을 사용해 미세한 시계를 만들었고, 전자가 점프하는 것은 시계의 초점처럼 작동하도록 했다. 연구팀은 이를 감지하기 위해 두 가지 방법을 사용했다. 하나는 미세한 전류를 측정하는 방법, 다른 하나는 라디오파를 사용해 시스템 변화를 감지하는 방법이다. 두 경우 모두 센서는 양자 신호를 우리가 기록할 수 있는 고전적 데이터로 변환한다.

연구팀은 양자 시계 장치와 측정 장치 모두에서 엔트로피를 계산했다. 그 결과, 양자 시계를 읽는 것, 즉 미세한 신호를 우리가 기록할 수 있는 것으로 바꾸는 데 필요한 에너지가 시계 자체에 사용되는 에너지보다 최대 10억 배 더 크다는 것을 밝혀냈다. 연구팀에 따르면 이번 연구 결과는 양자 물리학에서 측정 비용을 무시할 수 있다는 가정을 뒤집었다. 관찰 행위가 시간을 비가역적으로 만듦으로써 시간의 방향을 부여한다는 것도 확인했다.

연구를 이끈 나탈리아 아레스 옥스퍼드대 공학부 교수는 “가장 작은 규모에서 작동하는 양자 시계는 시간 측정의 에너지 비용을 낮출 것으로 예상됐지만 이번 연구에 따르면 양자 시계를 측정하는 에너지가 시계 장치 자체의 에너지 소비를 훨씬 능가한다”고 설명했다.