물질, 물리 법칙의 규칙을 깨다

이것은 단순한 실험실의 탁상공론이 아닙니다. 수십 년 동안 기능적 양자 컴퓨터를 향한 경쟁에서 가장 큰 걸림돌은 '노이즈'였습니다. 양자 비트, 즉 큐비트는 매우 민감하기로 유명합니다. 미세한 진동이나 아주 작은 열 스파이크만 닿아도 데이터가 손실되고 시스템 전체가 붕괴합니다. 파월(Powell)이 발견한 이러한 "플로케(Floquet)" 상태는 우리가 그러한 혼란에 사실상 면역인 물질을 만들 수 있음을 시사합니다. 물질을 지속적인 리듬 변화 상태로 유지함으로써, 물리학자들은 정적인 물질이 결코 제공할 수 없는 새로운 차원의 안정성을 만들어내고 있습니다.

자기 스트로보 조명 효과

파월과 그의 동료 루이스 부칼터(Louis Buchalter)가 무엇을 성취했는지 이해하려면, 물질을 변하지 않는 고정된 덩어리로 생각하는 방식을 버려야 합니다. 보통 결정은 정지 사진과 같습니다. 원자들은 줄을 지어 앉아 있고, 전자는 그 주위를 빠르게 움직이며, 전체 구조는 제자리에 머물러 있습니다. 하지만 파월의 연구팀은 플로케 공학(Floquet engineering)이라는 기술을 사용했습니다. 이를 어두운 클럽의 스트로보 조명에 비유해 보십시오. 조명이 꺼지면 댄서들을 볼 수 없습니다. 하지만 특정 주파수로 조명이 깜빡이면 댄서들이 슬로 모션으로 움직이거나 공중에 멈춰 있는 것처럼 보입니다.

이 접근 방식의 묘미는 '제어'에 있습니다. 전통적인 재료 과학에서는 다른 특성을 원하면 다른 암석을 찾아야 합니다. 더 높은 전도성을 원하면 구리를 찾고, 자성을 원하면 철을 찾습니다. 플로케 공학을 사용하면 암석을 바꾸는 대신 비트를 바꿉니다. 자기장의 주파수를 조정함으로써 연구원들은 즉석에서 특정 양자 특성을 구현할 수 있습니다. 이는 물질을 프로그래밍 가능한 캔버스로 바꾸는 것과 같습니다.

광자의 유령을 캐다

산화 세륨 지르코늄(cerium zirconium oxide)이라는 특정 결정 내부에서, 다이(Dai)의 연구팀은 공상 과학 영화 같은 현상, 즉 창발적 광자(emergent photons)를 관찰했습니다. 보통 광자는 우주의 진공을 통과하는 빛의 입자입니다. 그러나 여기서는 고체 결정 속에서 광자가 튀어나왔습니다. 이는 태양에서 오는 광자가 아니라 물질 내부 원자들의 집단적 춤에서 발생하는 "유령 같은" 버전입니다.

이 발견은 우리가 우주 전체의 기본 법칙을 모방하는 환경을 고체 내부에서 만들 수 있음을 확인시켜 줍니다. 마치 보석 안에 우주의 축소판을 가두어 둔 것과 같습니다. 양자 컴퓨팅에 있어 이는 금광과도 같습니다. 이러한 창발적 입자들은 "분수화(fractionalized)"되어 있는데, 이는 전자의 파편들이 사실상 분리되었음을 의미합니다. 이들은 물질 전체에 퍼져 있기 때문에 방해하기가 매우 어렵습니다. 이미 의도적으로 파괴되어 수천 개의 원자에 퍼져 있는 것은 파괴할 수 없기 때문입니다.

전자가 본업을 그만둘 때

이상한 현상은 자기 펄스나 유령 광자에서 멈추지 않습니다. 전 세계 실험실에서 전자들은 교과서의 모든 내용을 부정하는 방식으로 행동하기 시작했습니다. 지난 한 세기 동안 우리는 전자를 전선을 따라 이동하는 작은 당구공처럼 취급해 왔습니다. 그러나 이색 물질(exotic matter)에 대한 새로운 연구는 특정 조건 하에서 전자들이 입자처럼 행동하는 것을 완전히 멈춘다는 사실을 보여줍니다.

특정 양자 물질에서 전자들은 마찰 없는 액체처럼 흐르기 시작합니다. 또 다른 경우에는 개별적인 정체성을 잃고 하나의 집단적인 파동으로 행동합니다. 이는 고전 물리학자에게는 악몽이지만 엔지니어에게는 꿈같은 일입니다. 전자가 입자처럼 행동하지 않으면 사물과 충돌하지 않습니다. 충돌하지 않으면 열이 발생하지 않습니다. 열이 발생하지 않으면 냉각 팬이 필요 없고 결코 느려지지 않는 컴퓨터를 만들 수 있습니다.

언제나 그렇듯 관건은 환경입니다. 이러한 상태의 대부분은 심우주보다 차가운 온도나 자동차를 들어 올릴 만큼 강력한 자기장을 요구합니다. 이것이 바로 파월의 플로케 공학이 매우 중요한 이유입니다. 시간 의존적 자기장을 사용하여 물질을 "구동(drive)"함으로써, 우리는 이러한 이색 상태를 더 높은 온도와 덜 극한적인 조건에서 유지하도록 물질을 속일 수 있을지도 모릅니다. 이는 액체 질소로 냉각된 슈퍼 냉장고가 필요한 것과 책상 위에서 작동하는 장치를 갖는 것의 차이와 같습니다.

우주적 폭력의 골드 스탠다드

왜 실험실에서 이런 깨지기 쉽고 깜빡이는 물질 상태에 집착하는지 궁금할 수 있습니다. 그 답은 손가락에 낀 반지나 스마트폰 속 금에 있습니다. 수십 년 동안 우리는 금과 같은 무거운 원소가 실제로 어디에서 오는지에 대한 "핵 미스터리"를 안고 있었습니다. 우리는 그것들이 산소나 탄소처럼 별의 내부에서 만들어지지 않는다는 것을 알고 있었습니다. 그곳의 물리학은 충분히 폭력적이지 않기 때문입니다.

알고 보니 금은 우주에서 가장 극한적인 이색 물질 실험, 즉 중성자별 충돌의 결과물이었습니다. 중성자별은 본질적으로 도시 크기의 거대한 원자핵입니다. 그것은 관측 가능한 우주에서 가장 극한 형태의 물질입니다. 두 별이 충돌하면 주기율표의 법칙조차 무용지물이 될 정도로 기괴한 조건이 형성됩니다. 그 혼돈 속에서 중성자들이 원자 속으로 매우 빠르게 밀어 넣어지며 무거운 원소들이 순식간에 단조(forged)됩니다.

정적인 세계의 종말

우리가 목격하고 있는 변화는 우주를 "정적"으로 보던 관점에서 "동적"인 관점으로의 전환입니다. 인류 역사의 대부분 동안 우리는 암석을 보면 그저 암석으로 보았습니다. 이제 우리는 물질을 보며 올바른 리듬으로 해제할 수 있는 일련의 가능성을 봅니다. 이안 파월(Ian Powell)의 플로케 공학 연구는 물질의 "한계"가 대부분 상상력의 부족일 뿐임을 보여주었습니다. 물질이 필요한 특성을 가지고 있지 않다면, 그 특성이 나타날 때까지 진동을 주면 됩니다.

칼 폴리(Cal Poly) 연구를 수행한 학생 연구원 루이스 부칼터는 연구가 직선적인 과정인 경우는 거의 없다고 언급했습니다. 이러한 불가능한 물질 상태들이 존재하는 지도를 그리는 '위상 상태도(topological phase diagram)'를 작성하는 데에는 끈기가 필요했습니다. 이제 이 지도는 차세대 엔지니어들을 위한 안내서가 될 것입니다. 그들은 새로운 원소를 찾는 대신, 우리가 이미 가진 원소들에 에너지를 전달하는 새로운 방법을 찾을 것입니다.

우리는 기술의 하드웨어가 소프트웨어만큼 유연해지는 시대로 접어들고 있습니다. 수행하는 작업에 따라 물리적 속성을 바꾸는 프로세서를 상상해 보십시오. 계산이 필요하면 물질은 고안정성 플로케 상태로 전환됩니다. 데이터를 전송해야 하면 창발적 빛을 가진 양자 스핀 액체 상태로 깜빡입니다. 물질 자체가 기계가 되는 것입니다. 마법처럼 들리지만, 실험 결과가 보여주듯이 이것은 더 나은 비트를 가진 물리학일 뿐입니다.

이러한 이색 상태를 찾는 것은 이론을 증명하기 위함이 아닙니다. 데이터 시대에서의 생존을 위한 것입니다. 컴퓨팅 파워에 대한 우리의 수요가 실리콘과 구리의 물리적 한계에 도달함에 따라, 우리는 규칙을 깨기 시작할 수밖에 없습니다. 우리는 존재해서는 안 될 물질을 만들어내고 있습니다. 기존의 물질들이 더 이상 우리의 속도를 따라올 수 없기 때문입니다. 기계 속의 유령들이 마침내 일을 시작하고 있습니다.