“우주, 거대한 양자 컴퓨터 처럼 행동”
물리학자들은 100년이 넘는 연구 끝에 마침내 진정한 자연에 대한 하나의 근본 이론을 갖게 될까.
과학자들은 우리 우주가 가장 근본적인 수준에서 작동하는 방식을 결정하는 새로운 접근 방식을 개척하기 위해 양자 계산 및 양자 기술에 대한 최첨단 연구를 사용했다.
영국 노팅엄 대학(University of Nottingham)이 이끄는 국제 연구팀은 양자 계산에 필요한 특정 정보를 산출하는 데 고전적 중력이 아닌 양자만 사용할 수 있음을 입증했다. 연구는 ‘PRX Quantum’ 저널에 17일(현지시각) 발표됐다.
연구를 이끈 노팅엄대 수학과 리차드 호울(Richard Howl) 박사는 “100 년이 넘도록 물리학자들은 과학, 양자 이론 및 일반 상대성 이론의 두 가지 기본 이론을 결정하는 데 어려움을 겪었다. 각각 미시적 현상과 거시적 현상을 설명하고 하나의 아우르는 자연 이론으로 통합된다. 이 기간 동안 그들은 ‘양자 중력’과 ‘고전적 중력’이라는 두 가지 근본적으로 대조되는 접근 방식을 제시했다. 그러나 실험적 증거가 완전히 부족하다는 것은 물리학자들이 가장 중요한 이론이 실제로 어떤 접근 방식을 취하는 지 모른다는 것을 의미하며, 우리의 연구는 이를 해결하기위한 실험적 접근 방식을 제공한다”고 설명했다.
양자 컴퓨팅, 양자 중력 및 양자 실험 전문가들이 협력한 새로운 연구는 양자 컴퓨팅과 양자 중력 분야 사이의 예상치 못한 연관성을 발견했다. 또 이를 사용해 고전적 중력이 아닌 양자가 있음을 실험적으로 테스트하는 방법을 제안한다.
제안 된 실험은 밀리미터 크기의 구형 트랩(spherical trap)에 있는 수십억 개의 원자를 극도로 낮은 온도로 냉각시켜 ‘보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)’이라고 하는 새로운 물질 상으로 들어가 하나의 큰 양자 원자처럼 행동하기 시작하는 것을 포함한다. 그런 다음이 “원자”에 자기장이 적용되어 자체 중력적 당김만 느끼게 된다. 이 모든 것이 제자리에 있는 상태에서 단일 중력 원자가 양자 계산에 필요한 핵심 요소를 제시하는데, 그것은 신기하게도 자연이 양자 중력 접근 방식을 취해야하는 “음의 확률”과 관련이 있다.
이 제안된 실험은 최신 기술을 사용하고 단일 양자 시스템인 중력 “원자”를 포함하며 상호 작용의 지역성에 대한 가정에 의존하지 않으므로 이전 접근 방식보다 간단하고 잠재적으로 첫 번째 양자 중력 실험적 테스트의 함의을 확장할 수 있다.
공동 연구에 참여한 홍콩 대학의 마리오스 크리스도둘루(Marios Christodoulou) 박사는 “이 연구는 제안된 실험이 시공간의 양자 변동이 양자 계산을 위한 방대한 자연 자원이라는 것을 입증함으로써 우주가 스스로를 계산하는 거대한 양자 컴퓨터처럼 행동하고 있다는 보다 철학적인 아이디어와 연결되기 때문에 특히 흥미롭다”고 말했다.
*Richard Howl et al, Non-Gaussianity as a Signature of a Quantum Theory of Gravity, PRX Quantum 2, 010325 – Published 17 February 2021, DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.010325
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