물질이 외부에서 에너지를 받지 않고도 주기적으로 구조를 바꾸는 특수한 상태인 ‘시간 결정(結晶)’이 양자컴퓨터를 통해 처음으로 구현됐다.

베디카 케마니 미국 스탠퍼드대 물리학부 교수 연구팀과 페드람 로샨 구글 리서치 연구원 공동연구팀은 구글의 양자컴퓨터 ‘시커모어’에서 시간 결정을 0.1초간 구현했다고 국제학술지 네이처에 30일(현지시간) 공개했다.

결정은 입자가 규칙적인 주기를 갖고 공간상에 나열된 상태를 말한다. 시간 결정은 물질의 입자가 시간적으로 결정처럼 규칙적으로 일정하게 배열되는 현상을 뜻한다. 시간에 따라 구조 변화가 반복되면서 에너지를 사용하지 않고도 끊임없이 변화를 유지한다.

이 개념은 지난 2004년 노벨 물리학상을 받은 프랭크 윌첵 미국 매사추세츠공대(MIT) 석좌교수가 2012년 이론으로 처음 제시했다. 이후 양자 상태에서 시간 결정 구현이 가능하다는 분석이 제기됐다. 미국 메릴랜드대와 하버드대 연구팀은 2017년 각각 시간 결정을 처음 관찰하는데 성공했다고 네이처에 공개해 존재가 입증됐다. 지난달 4일에는 네덜란드 델프트공대 연구팀이 다이아몬드 속 탄소 결정에서 8초간 800주기로 시간 결정을 구현하는데 성공했다고 국제학술지 '사이언스'에 발표하기도 했다.

연구팀은 구글 퀀텀AI와 협력해 구글의 시커모어 양자컴퓨터의 정보 단위인 큐비트 20개에 움직이는 패턴을 적용해 시간 결정을 구현했다. 큐비트에 레이저를 가해 큐비트 정보를 표현하는 스핀에 움직임을 주면서 시간 결정을 만들 수 있는 상태를 찾는 방식이다. 양자컴퓨터는 하나의 정보 단위에 0 또는 1을 동시에 표현할 수 있어 여러 상태를 동시에 계산할 수 있다. 큐비트 사이 상호작용 강도를 무작위로 지정해 어떤 스핀 상태에서도 시간 결정을 이룰 수 있는 조건을 빠르게 찾게 된다.