[뉴스스페이스=김시민 기자] 핀란드 알토 대학교 물리학부 연구팀이 세계 최초로 시간 결정을 외부 시스템과 연결하는 데 성공하며, 양자 컴퓨팅 분야에 혁신적인 이정표를 세웠다. 이번 성과는 수년간 양자 컴퓨팅의 최대 난제 중 하나로 꼽혀온 ‘메모리 취약성’을 해결할 해법으로 주목받고 있다.

Aalto University, University of Surrey, The Quantum Insider, Interesting Engineering에 따르면, 시간 결정은 2012년 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌체크(Frank Wilczek)가 이론화한 개념으로, 에너지 투입 없이도 바닥 상태에서 끊임없이 반복 운동하는 이색적인 물질의 상태를 의미한다. 2016년 실험적으로 존재가 확인됐으나, 그동안 외부 장치와 상호작용하지 못해 실질적 응용에 제약이 있었다.​

이번 연구는 알토대 학술연구원 예레 매키넨(Jere Mäkinen) 주도로, 극저온 상태의 헬륨-3 초유체에서 마그논(자기적 준입자)을 끌어내 시간 결정을 형성한 후, 이를 액체 표면의 미세 중력파를 이용한 기계적 진동자와 결합시키는 데 성공했다. 이로써 시간 결정이 외부 기계 시스템과 상호작용하는 '광기계 시스템(optomechanical system)'으로 거듭났으며, 최대 1억 사이클, 즉 수 분간의 안정적인 양자 진동을 유지했다. 이는 기존 양자 컴퓨터의 큐비트 진동 지속 시간보다 몇 자릿수 이상 긴 기록이다.​

매키넨 연구원은 “관찰과 같은 외부 에너지 간섭이 없으면, 양자 영역에서 영구적인 운동이 가능하다. 시간 결정이 외부 시스템과 연결된 것은 이번이 최초이며, 이를 통해 결정의 특성을 조절하는 것도 처음 보여줬다”고 말했다.​

양자 메모리 취약성 개선

현재 상용화된 양자 컴퓨터는 큐비트가 매우 빠르게 정보를 잃는 ‘디코히런스’ 문제로 확장성과 신뢰성에 큰 제약을 받고 있다. 큐비트가 정보를 오래 유지하지 못해 오류가 빈번하며, 이를 보완하기 위해 수천~수만 개의 물리 큐비트를 결합해 하나의 논리 큐비트를 만드는데, 기술적 난도가 크다.

서리대학교의 에란 기노사르 박사도 “양자 메모리는 커뮤니티가 직면한 가장 큰 병목 현상 중 하나”라고 진단하며 이를 해결하기 위한 회로 설계 혁신 연구가 진행 중이다.​

이번 시간 결정 외부 연결은 양자 메모리의 코히런스(정보 유지 시간)를 비약적으로 연장할 수 있는 가능성을 보여준다. 안정적인 양자 정보 저장 장치 개발에 기여할 뿐 아니라, 이론상으로 매우 긴 시간 동안 정보를 보존할 수 있는 메모리 원천 기술이 될 전망이다.​

계산을 넘어선 미래 기술

알토대 연구진이 관찰한 시간 결정의 주파수 변화는 미국 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서 중력파를 측정하는 데 이용하는 광기계학적 현상과 유사하다. 이로 인해 초고감도 측정장비, 정밀 주파수 기준 장치 등 광범위한 응용 가능성을 열었다. 예컨대, 양자 센서에서 매우 미세한 시간·운동·장(場)의 변화를 감지하는 데 혁신적 도구로 쓰일 수 있다.​

시간 결정의 특성은 약물 개발, 신소재 탐색 등 양자적 이점이 필요한 여러 과학기술 분야에서 획기적인 성과를 낼 수 있다. 또한 최근 구글의 시카모어 양자 프로세서를 이용해 실제 컴퓨터 환경에서 시간 결정이 구현된 사례 등 양자 컴퓨팅 기반 시간 결정 연구가 가속화되는 추세이다.​

이번 실험은 핀란드 국가 연구 인프라 OtaNano 소속 저온 연구실의 최신 장비와 알토대 과학 IT팀의 컴퓨팅 시뮬레이션 역량을 결합해 이뤄졌다. 연구는 2025년 10월 16일 Nature Communications에 공식 게재되어 학술적·기술적 신뢰를 받았다.​

이번 돌파구는 시간 결정이 양자 컴퓨팅과 초정밀 측정기기 미래 혁신을 견인할 핵심 기술임을 입증하며, 양자 메모리 구성의 새로운 패러다임으로 주목받고 있다.