열역학적 한계 돌파: 시간 측정의 미래

새로운 연구에 따르면 양자 효과의 정확도¹가 예상보다 더 뛰어납니다. 이 연구는 TU Wien과 협력자들이 원자 시계에 양자 계측을 활용함에 따라 발표되었습니다.

원자 시계는 원자의 양자 특성을 이용하여 기존 시계보다 훨씬 정확하게 시간을 측정합니다. 세계에서 가장 정밀한 이 시계들은 레이저를 사용해 일정한 주파수로 진동하는 원자의 진동을 측정함으로써 전례 없는 정확성을 자랑합니다.

하지만 양자 물리학의 기본 법칙에 관해서는 항상 어느 정도의 불확실성이 존재하므로, 일정량의 통계적 잡음이 예상되며 이를 받아들여야 합니다. 이러한 잡음 또는 무작위성은 달성 가능한 정확도에 한계를 부여합니다.

따라서 원자 시계는 더욱 정밀해질 수 있으며, 원자 진동을 더 정확히 측정한다면 암흑 물질과 같은 현상을 식별하고 중력이 시간 흐름에 미치는 영향과 같은 질문에 답할 수 있을 정도로 민감해질 것입니다.

흥미롭게도 원자 시계가 더 정확해지려면 그 정밀도를 달성하기 위해 더 많은 에너지가 필요하다고 여겨집니다.

2021년에 실험²은 자연이 시간 유지에 기본적인 에너지 비용을 부과함으로써 시계 정확도에 한계가 있음을 보고했습니다. 연구에 따르면, 시간을 더 정확히 측정하는 시계는 덜 정확한 시계보다 더 많은 에너지를 소비합니다.

열역학의 핵심 원리 중 하나는 에너지가 항상 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐른다는 것이며, 이 흐름을 역전시키는(예: 냉장고) 경우 다른 곳에서 비용을 지불해야 함을 의미합니다.

따라서 두 배 정확도를 얻기 위해 최소 두 배의 에너지를 필요로 하는 시계는 변하지 않는 법칙처럼 보였지만, 지금은 그렇지 않습니다.

TU Wien, 몰타 대학교, 그리고 찰머스 공과대학의 과학자 팀은 특수한 기법을 사용하면 정확도를 기하급수적으로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다.

핵심은 두 개의 서로 다른 시간 척도를 사용하는 것으로, 일반 시계가 분침과 초침을 갖는 것과 유사합니다.

양자 물리학이 시간의 엔트로피 비용을 재정의하는 방법

평형 상태를 벗어나 작동하는 물리 장치는 열 변동(시스템이 평균 상태에서 무작위로 벗어나는 현상)의 영향을 받아 작동 정확도가 제한됩니다. 이 문제는 매우 작고 양자 규모에서 더욱 두드러지며, 이를 완화하기 위해 엔트로피 소산이 필요합니다.

시계의 경우, 시간을 측정하기 위해 평형으로 향하는 열역학적 흐름이 필요하며, 이는 틱당 최소 엔트로피 소산을 초래합니다.

고전 모델과 양자 모델 모두 정밀도와 소산 사이에 선형 관계를 보이는 경향이 있지만, 그 관계는 아직 명확하지 않습니다.

가장 정확한 원자 기반 시계를 추구하는 과정에서, 향후 핵 기반으로 전환될 가능성도 있지만, 이러한 비용은 가장 시급한 문제는 아닙니다. 그러나 작고 자체적인 양자 제어에서는 소산과 정밀도 사이의 정확한 관계가 실용적인 문제일 수 있습니다.

이를 염두에 두고, 연구진은 엔트로피 소산에 따라 정확도가 기하급수적으로 증가하는 자율 양자 시계 모델을 제시했습니다.

이 성과는 맞춤형 결합을 가진 스핀 체인에서의 코히런트 전송에 의해 가능해졌으며, 엔트로피 소산이 단일 연결에만 제한됩니다. 연구 결과는 코히런트 양자 역학이 전통적인 열역학의 정밀도 한계를 초과할 수 있음을 보여주며, 향후 저소산·고정밀 양자 장치 개발에 도움이 될 수 있습니다.

“우리는 원칙적으로 어떤 시계가 이론적으로 가능할 수 있는지 분석했습니다.”

– TU Wien 원자 연구소의 Marcus Huber 교수

그는 시계가 필요로 하는 두 가지 구성 요소가 있다고 설명했습니다. 첫 번째는 양자 진동이나 진자와 같은 시간 기반 발생기이며, 두 번째는 시간 기반 발생기에 의해 정의된 시간 단위를 세는 카운터입니다.

시간 기반 발생기는 항상 정확히 같은 상태로 돌아가며, 진자는 한 번의 진동을 마친 후 정확히 이전 위치에 있습니다.

한편, 원자 시계에서는 세슘 원자가 일정 횟수의 진동 후에 정확히 동일한 상태로 돌아옵니다. 그러나 카운터는 시계가 유용하려면 변해야 합니다.

“이는 모든 시계가 비가역적인 과정에 연결되어야 함을 의미합니다. 열역학 용어로는, 이는 모든 시계가 우주의 엔트로피를 증가시킨다는 뜻이며, 그렇지 않으면 시계가 아닙니다.” 

– TU Wien의 Florian Meier

진자 시계에서는 진자가 주변 공기 분자에 열과 무질서를 발생시킵니다. 원자 시계의 경우, 상태를 읽는 각 레이저 빔이 열과 복사를 발생시켜 엔트로피를 생성합니다. Marcus Huber에 따르면:

“이제 우리는 가상의 초고정밀 시계가 생성해야 할 엔트로피 양과 그에 따라 필요한 에너지 양을 고려할 수 있습니다. 지금까지는 선형 관계가 있는 것처럼 보였습니다: 정밀도를 천 배 원한다면 최소 천 배의 엔트로피를 생성하고 천 배의 에너지를 소비해야 합니다.”

하지만 TU Wien 팀은 몰타 대학교, 찰머스 공과대학, 그리고 오스트리아 과학 아카데미(ÖAW)와 협력하여 두 개의 서로 다른 시간 척도를 사용함으로써 이 이른바 규칙을 회피할 수 있음을 입증했습니다.

예를 들어, Meier가 설명했듯이, 한 영역에서 다른 영역으로 이동하는 입자를 시간 측정에 사용할 수 있으며, 이는 모래 알갱이가 유리병 위에서 아래로 떨어지는 방식과 유사합니다.

이러한 시간 측정 장치를 일렬로 연결하면, 이미 통과한 장치의 수를 셀 수 있습니다. 이는 큰 시계바늘이 작은 시계바늘이 이미 완료한 회전 수를 세는 방식과 유사합니다.

“이렇게 하면 정확도를 높일 수 있지만, 더 많은 에너지를 투자해야 합니다,”라고 Marcus Huber가 말했습니다. “시계바늘이 한 번 완전 회전을 할 때마다, 다른 시계바늘이 새로운 위치에서 측정될 때마다—또는 주변 환경이 이 바늘이 새로운 위치로 이동했음을 감지할 때마다—엔트로피가 증가합니다. 이 카운팅 과정은 비가역적입니다.”

양자 물리학이 허용하는 또 다른 입자 전송 방식은 전체 구조를 가로질러 이동하는 것입니다. 여기서 입자는 측정되기 전까지 명확한 위치가 정의되지 않은 채 전체 시계판을 가로질러 이동합니다.

이 과정에서 입자는 마치 어디에나 존재하는 것처럼, 마지막에 도착할 때까지 명확한 위치가 없습니다. 그때 비가역적이며 엔트로피를 증가시키는 과정으로 입자가 측정됩니다.

따라서 팀은 두 가지 과정을 가지고 있습니다: 엔트로피나 양자 전송을 일으키지 않는 빠른 과정과, 입자가 최종에 도달하는 다른 과정.

“우리 방법의 핵심은 한 손은 순수하게 양자 물리학에 따라 동작하고, 다른 느린 손만이 실제로 엔트로피를 생성한다는 점입니다.”

– TU Wien의 Yuri Minoguchi

팀은 이 전략이 엔트로피가 증가할 때마다 정밀도가 크게 향상될 수 있음을 입증했으며, 이전에 생각했던 것보다 훨씬 높은 정밀도를 달성할 수 있음을 보여주었습니다.

“게다가 이 이론은 현재 가장 진보된 양자 기술 중 하나인 초전도 회로를 이용해 실제 세계에서 테스트될 수 있습니다.”

– Chalmers 실험팀을 이끄는 연구 공동 저자 Simone Gasparinetti

Huber는 이를 고정밀 양자 측정 연구와 원치 않는 변동 억제에 중요한 결과라고 부르며, 또한 연구가 “양자 물리학과 열역학 사이의 연결, 즉 물리학의 큰 미스터리 중 하나를 더 잘 이해하는 데 도움이 된다”고 언급했습니다.

여기를 클릭하면 토륨이 초정밀 핵 시계를 어떻게 구동하는지 알아볼 수 있습니다.

양자 시간 측정이 인류에 미치는 미래 영향

인간에게 가장 소중한 자원 중 하나는 제한적이고 되돌릴 수 없는 시간입니다. 시간은 우리의 존재와 진보의 근본적인 요소입니다.

우리의 시간을 기록하기 위해 사람들은 달력을 개발했고, 사회가 더 복잡하고 기술적으로 발전함에 따라 정확한 시간 측정의 중요성이 커졌습니다.

시간 측정에 필요한 것은 일정한 박자로 진동하는 무언가와 그 박자를 세고 시간을 표시하는 또 다른 무언가입니다.

이로 인해 시계가 개발되었으며, 시간이 지나면서 펜듈럼과 석영 발진기를 갖춘 정교한 시계로 발전했습니다.

손목시계부터 위성에 사용되는 시계까지, 대부분의 현대 시계는 석영 결정 발진기를 사용해 시간을 유지합니다. 전압을 가하면 발진기가 정확한 주파수로 진동하여 펜듈럼 시계의 펜듈럼처럼 경과 시간을 표시합니다.

하지만 문제는 시계마다 차이가 있다는 것이었습니다. 세계가 더욱 통합되면서 일관되고 정확한 시간 측정 방법이 필요해졌고, 원자 시계가 자연스러운 해결책이었습니다.

원자 시계의 꿈은 1세기 이상 전, 과학자 James Maxwell와 William Thompson이 이 아이디어를 제안하면서 시작되었습니다.

원자는 모든 물질의 기본 구성 요소입니다. 원자의 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며, 전자는 그 주위를 돌며 수가 달라질 수 있습니다. 전자는 핵 주위를 원형 궤도로 돌며 특정 에너지 준위를 가집니다.

원자는 특정 주파수의 빛 파장을 흡수하고 방출하는데, 과학자들은 특정 원소의 원자들은 서로 동일하고 변하지 않으며, 따라서 흡수하고 방출하는 빛의 주파수도 변하지 않을 것이라고 추론했습니다.

이 아이디어는 19세기 말에 처음 등장했지만, 실제 원자 시계가 개발된 것은 훨씬 나중의 일입니다.

전쟁은 과학 및 기술 발전의 강력한 촉매 역할을 하는 경우가 많습니다. 전쟁 덕분에 전자레인지, GPS, 컴퓨터 등 오늘날 일상에 큰 영향을 미치는 발명이 이루어졌습니다.

회사는 주로 다음 부문을 통해 운영됩니다:

항공우주 기술

• 항공기에 대한 제품, 소프트웨어 및 서비스를 공급합니다.
• 장비 제조업체, 항공 운송 및 항공 부문에 서비스를 제공합니다.

산업 자동화

• 지능적이고 지속 가능하며 안전한 운영을 위한 자동화 솔루션을 제공합니다.
• 석유화학 및 생명과학 등 산업을 대상으로 합니다.

건물 자동화

• 안전하고 지속 가능한 시설을 보장하는 솔루션을 제공합니다.

에너지 및 지속 가능성 솔루션

• 재료 과학 및 화학과 통합된 라이선스 기능을 제공합니다.

Honeywell International (HON )

Honeywell은 고정밀 타이밍 장치, 항공우주 및 방위용 원자 시계 기술, 그리고 Quantinuum을 통한 양자 컴퓨팅 등 첨단 측정 시스템 분야의 선두 기업입니다.

회사는 주로 다음 부문을 통해 운영됩니다:

항공우주 기술

• 항공기에 대한 제품, 소프트웨어 및 서비스를 공급합니다.
• 장비 제조업체, 항공 운송 및 항공 부문에 서비스를 제공합니다.

산업 자동화

• 지능적이고 지속 가능하며 안전한 운영을 위한 자동화 솔루션을 제공합니다.
• 석유화학 및 생명과학 등 산업을 대상으로 합니다.

건물 자동화

• 안전하고 지속 가능한 시설을 보장하는 솔루션을 제공합니다.

에너지 및 지속 가능성 솔루션

• 재료 과학 및 화학과 통합된 라이선스 기능을 제공합니다.

Honeywell International (HON )

Honeywell은 시가총액 1545억 달러이며, 현재 주가는 241달러로 연초 대비 6.4% 상승했습니다. EPS(TTM)는 8.70이고 P/E(TTM)는 27.62이며, 배당 수익률은 1.88%입니다.

2025년 1분기에 회사는 매출 98억 달러와 주당 순이익 2.22달러를 보고했습니다. 이 기간 동안 Honeywell은 주식 재매입, 배당금 및 자본 지출에 29억 달러를 사용했습니다.

“Honeywell는 올해를 매우 뛰어난 시작으로 시작했으며, 모든 지표에서 가이드를 초과 달성했습니다. 견고한 유기 성장에 힘입어 연속 3분기 동안 순차적 및 전년 대비 백로그 성장을 달성했으며, 주문량이 건전하고 차별화된 제품에 대한 고객 수요가 지속되고 있습니다.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusion

양자 강화 시간 측정은 지속적인 실험을 통해 물리학의 가장 근본적인 한계조차 재고할 수 있음을 보여줍니다. 최신 연구와 양자 열역학에 대한 이해가 진전됨에 따라, 시간 측정의 정밀도도 크게 향상될 것입니다.

뛰어난 설계와 엔트로피에 대한 깊은 이해를 결합함으로써, 연구자들은 에너지와 엔트로피 비용에 대한 기존 가정을 뒤흔들고, 기술, 인프라, 과학, 그리고 우주 전반에 걸친 광범위한 영향을 미치는 초정밀 시스템의 새로운 시대를 열고 있습니다.

Studies Referenced:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precision is Not Limited by the Second Law of Thermodynamics. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029