여기서 발생하는 긴장은 현재 우리 기술의 취약성에서 비롯됩니다. 우리는 현재 매우 다루기 까다로운 것으로 악명 높은 물질을 사용하여 양자 컴퓨터를 구축하려고 합니다. 길을 잃은 열 분자가 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 살짝 건드리기만 해도 전체 시스템이 붕괴합니다. 파월(Powell)과 그의 학생 연구원 루이 부찰터(Louis Buchalter)는 이러한 이국적이고 시간에 의존하는 상태를 생성함으로써 양자 시스템을 훨씬 더 안정적으로 만드는 방법을 찾아냈습니다. 물질을 지속적이고 리듬감 있는 변화 상태로 유지하면 외부 소음이 이를 깨뜨리기 어려워진다는 사실이 밝혀진 것입니다.
양자 세계를 위한 스트로보 조명 효과
파월과 부찰터가 성취한 것을 이해하려면 물질을 고정되어 움직이지 않는 것으로 생각하는 습관을 버려야 합니다. 양자 수준에서 모든 것은 진동입니다. 일반적으로 이러한 진동은 예측 가능한 틀 안에 자리 잡습니다. 플로케 공학(Floquet engineering)은 본질적으로 에너지의 "스트로보 조명(strobe light)"—이 경우에는 변화하는 자기장—을 물질에 가해 그 진동을 새롭고 이국적인 패턴으로 강제하는 과정입니다. 이는 모래 더미를 두고 바닥을 매우 정밀하게 진동시켜 모래 알갱이들이 그냥 놓여 있는 것이 아니라 성당 모양으로 떠 있게 만드는 것과 같습니다.
캘리포니아 폴리테크닉 주립대(Cal Poly) 연구팀은 이를 "플럭스 스위칭 플로케 공학(Flux-Switching Floquet Engineering)"이라고 명명했습니다. 90년대 중반 SF 영화 리메이크에서나 나올 법한 용어처럼 들리지만, 그 역학 원리는 고차원 시스템을 반영하는 수학적 조직 원리에 근거합니다. 그들은 시간 조절된 자기장 변화로 시스템을 구동함으로써 "위상학적으로 보호(topologically protected)"된 양자 상태를 잠금 해제했습니다. 쉬운 말로 풀이하면, 물질의 상태가 그 자체의 기하학적 구조에 의해 고정되어 있다는 뜻입니다. 존재의 형상 자체가 붕괴를 방지하기 때문에 쉽게 깨뜨릴 수 없습니다.
이는 컴퓨팅의 미래에 엄청난 사건입니다. 기능적인 양자 컴퓨터를 만드는 데 있어 가장 큰 장애물 중 하나는 오류를 유발하는 환경 간섭인 "노이즈(noise)"입니다. 만약 우리가 이러한 구동되는 이국적 상태들로 큐비트를 만들 수 있다면, 속도를 높이는 것뿐만 아니라 견고함까지 확보할 수 있습니다. 우리는 유리로 컴퓨터를 만드는 단계에서 강화 강철로 만드는 단계로 넘어가고 있는 셈입니다. 하지만 여기에는 에너지라는 대가가 따릅니다. 물질이 존재하도록 시스템을 계속 "구동"해야만 합니다. 깜박임을 멈추는 순간 마술은 끝나고 물질은 다시 지루하고 정적인 본래의 모습으로 사라져 버립니다.
왜 이 결정체 내부에는 유령 광자가 있을까?
양자 스핀 액체(quantum spin liquid)는 약간 부적절한 명칭입니다. 실제로 액체처럼 젖어 있는 것이 아니기 때문입니다. 여기서 "액체"는 결정 내부 원자들의 자기 모멘트, 즉 스핀(spins)을 의미합니다. 냉장고에 붙이는 일반적인 자석에서는 스핀들이 모두 같은 방향을 가리키거나 깔끔한 패턴을 따릅니다. 하지만 양자 스핀 액체에서는 절대 영도에서도 스핀들이 완전히 광란에 가까운 무질서 상태에 있습니다. 이들은 "좌절(frustrated)"된 상태, 즉 결코 안정을 찾을 수 없는 상태에 있습니다. 끊임없이 움직이고 얽혀 있기 때문에 이들은 빛처럼 행동하지만 물질 내부의 경계 안에서만 존재하는 "유령(ghost)" 입자인 들뜸(excitations)을 생성합니다.
규칙 따르기를 거부하는 물질을 실제로 사용할 수 있을까?
Cal Poly의 깜박이는 물질과 라이스대(Rice University)의 유령 광자를 관통하는 공통점은 고전 물리학에 대한 전면적인 거부입니다. 우리는 더 이상 물질이 *무엇인지*를 묻는 시대가 아니라, 한계까지 밀어붙였을 때 *무엇을 할 수 있는지*를 묻는 시대로 접어들고 있습니다. 이는 그래핀(graphene)에도 적용됩니다. 연구진은 최근 그래핀 속의 전자들이 거의 마찰이 없는 액체처럼 흐르는 것을 관찰했는데, 이는 전자들이 개별 핀볼처럼 튕겨 다녀야 한다는 물리학의 기본 법칙을 정면으로 위배하는 것입니다. 대신 전자들은 마치 꿀이 파이프를 통과할 때 막히지 않고 빛의 속도로 흐를 수 있다면 보여줄 법한 방식으로 움직이고 있습니다.
또한 준결정(quasicrystals)도 있습니다. 우리는 지난 40년간 패턴이 있는 것처럼 보이지만 결코 스스로 반복되지 않는 이 물질들을 이해하기 위해 고군분투해 왔습니다. 이들은 아름답고 복잡하며 불가능해 보이는 양자 세계의 모자이크입니다. 미시간 대학교(University of Michigan)의 과학자들은 마침내 이들이 어떻게 성장하는지에 대한 암호를 풀었으며, 이들이 질서와 혼돈 사이의 경계에 걸쳐 있음을 밝혀냈습니다. 플로케 상태와 마찬가지로 준결정은 존재해서는 안 될 중간 지점을 나타내며, 소금 결정의 예측 가능한 세계와 기체의 완전한 무작위성 사이의 가교 역할을 합니다.
산업적 영향력은 엄청나지만 우리는 현실적이어야 합니다. 내년에 플로케 기반의 스마트폰을 가질 수 있는 것은 아닙니다. 이안 파월(Ian Powell) 자신도 이 연구의 가장 직접적인 관련성은 양자 시뮬레이션과 기초 연구에 있다는 점을 인정합니다. Cal Poly의 연구실에서 선전(Shenzhen)의 제조 공장으로 가는 길은 멀고도 험하며 수많은 실패한 실험으로 점철될 것입니다. 하지만 개념적 장벽은 무너졌습니다. 이제 우리는 특정 기술에 필요한 물질을 찾을 수 없다면 자기장을 이용해 단순히 진동시킴으로써 존재하게 만들 수 있다는 사실을 알게 되었습니다.
기술의 미래는 단지 정교한 타이밍의 진동일까?
버스에 앉아 이 글을 읽고 있다면, 당신은 아마도 우리가 한 세기 넘게 이해해 온 실리콘, 구리, 플라스틱으로 만든 기기를 들고 있을 것입니다. 다음 도약은 그러한 물질의 더 나은 버전이 아닐 것입니다. 그것은 마법처럼 느껴질 것입니다. 우리는 하드웨어가 시간에 의존하는 장에 의해 "구동"되고, 에너지가 유령 입자를 통해 결정체를 통과하며, 전원을 끄면 기술적으로 존재하지 않는 물질 상태로 컴퓨터가 구축되는 세상을 마주하고 있습니다.
우주를 구성하는 근본 요소에 대해 더 많이 알게 될수록, 우리가 그중 얼마나 적은 부분만을 사용해 왔는지 깨닫게 된다는 것은 아이러니한 일입니다. 우리는 지금까지 단 세 개의 건반만을 사용하여 피아노를 연주해 온 셈입니다. 플로케 공학과 3D 스핀 액체의 발견은 누군가 마침내 뚜껑을 열고 나머지 85개의 건반을 보여주는 것과 같습니다. 이는 혼란스럽고 복잡하며, 우리가 확고하다고 믿었던 대부분의 규칙을 깨뜨립니다. 하지만 루이 부찰터가 연구실에서 보낸 시간 후에 언급했듯이, 연구는 결코 단순한 과정이 아닙니다. 그것은 끈기와 자기장을 바라보며 남들이 생각했던 것보다 더 빠르게 스위치를 켰을 때 어떤 일이 일어날지 궁금해하는 의지입니다.
향후 10년의 물리학은 주기율표 끝에 있는 새로운 원소를 발견하는 것과는 거리가 멀 것입니다. 대신 그 사이의 틈새에서 우리가 만들어낼 수 있는 기묘하고, 깜박이며, 좌절하고, 마찰이 없는 상태들에 관한 것이 될 것입니다. 우리는 더 이상 물리적 세계의 관찰자가 아닙니다. 우리는 실시간으로 물질의 코드를 한 번에 하나의 자기 펄스로 다시 작성하는 편집자입니다. 물리학의 규칙은 바뀌지 않았지만, 그것을 우회할 수 있는 우리의 능력은 확실히 바뀌었습니다. 그리고 존재하는 것과 존재할 수 있는 것 사이의 그 틈새에서, 다음 기술 혁명이 현재 진동을 통해 생명을 얻고 있습니다.
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