한국 프리프린트, 양방향으로 진행되는 광자 '시간 큐비트' 주장

서울의 한 물리학자는 수년 전 다른 목적으로 수행한 실험이 이미 '시간 큐비트', 즉 두 반대 방향으로 동시에 진화하는 양자계를 만들어 냈다고 말합니다. 고려대학교의 윤태현(Tai Hyun Yoon) 교수는 10월 20일 게시된 arXiv 프리프린트에서 이를 설명했으며, 이 논문은 아직 동료 심사를 통과하지 않았습니다.

이 큐비트가 과거로 시간 여행을 하는 것은 아닙니다. 개념상 이는 두 반대 시간 방향으로 중첩 상태에서 전개될 수 있는 계이며, 중첩은 두 가능성이 동시에 존재하는 양자 상태입니다.

시간 큐비트의 발상

이 개념은 2025년 11월 arXiv에 올라온 텔아비브대학교 야코프 블로흐(Yakov Bloch)의 프리프린트에서 나왔습니다. 양자역학에서 해밀토니안은 계의 상태가 한 순간에서 다음 순간으로 어떻게 변하는지를 결정하는 수학적 기술입니다. 블로흐는 이러한 진화의 두 반대 버전 중 하나를 선택하는 2준위 제어 공간을 제안했습니다. 그가 제안한 시험은 입자의 경로를 둘로 나누고, 각 경로를 따라 서로 반대되는 자기장을 걸었다가 다시 합치는 것으로, 간섭 무늬가 두 반대 진화가 어떻게 연결되어 있는지 보여 줄 것입니다. 이 아이디어는 여전히 이론에 머물러 있습니다.

윤태현 교수가 다르게 한 것

윤 교수는 자기장 대신 빛을 사용했습니다. 그의 장치에는 각각 얽힌 광자쌍을 만드는 두 개의 결정 광원이 있으며, 각 쌍에서 광자 하나가 단일 광자 큐비트를 운반합니다. 이 방법은 얽힌 비선형 이광자 광원(ENBS) 간섭계라고 불립니다. 상호작용의 방향은 광자를 만드는 데 쓰이는 빛의 위상으로 정해집니다. 위상을 반 주기만큼 옮기면 그가 제어하는 상호작용 부분이 반전됩니다. 논문의 설명에 따르면 시간 자체가 거꾸로 흐르는 것은 아니며, 그 상호작용의 바탕이 되는 수학적 과정이 반대로 진행됩니다. 그의 방법은 해밀토니안 전체를 뒤집지는 않습니다.

두 반대 방향만으로는 큐비트가 되지 않습니다. 계에는 이 둘의 중첩도 필요합니다. 보통 광자쌍을 만들면 어느 결정이 그것을 만들었는지 드러낼 수 있는 정보가 남게 되어 결맞음 중첩을 방해합니다. 두 결정에 같은 결맞음 레이저의 빛을 공급하면 어느 광원인지에 관한 정보가 억제되고 두 진화가 간섭할 수 있습니다. 그 결과 두 경로와 두 반대 진화 방향을 인코딩하는 단일 광자 큐비트가 만들어집니다.

오래된 데이터, 새로운 이론

윤 교수는 새로운 실험을 구축하지 않았습니다. 그는 자신과 동료들이 앞서 수집한 측정 자료를 다시 살펴보았는데, 여기에는 그의 이론이 요구하는 위상 의존적 거동과 간섭을 보여 준 2018년 실험이 포함됩니다. 이를 근거로 그는 이 장치가 단일 광자 시간 큐비트의 구현으로 이해될 수 있다고 주장합니다. 오래된 데이터로 새로운 이론을 검증하는 것이므로 완벽한 시연은 아니며, 개념 증명으로서 기능합니다. 양자 상태를 더 엄밀하게 제어하는 전용 실험이라면 이론이 예측하는 전체 연산 집합을 검증할 수 있을 것입니다.

윤 교수는 결함 허용 시간적 양자 오류 정정, 고차원 쿠디트 처리, 상대론적 양자 검출기 동역학의 탁상 시뮬레이션 등에 쓸 수 있다고 지적하지만, 이는 아직 제안에 불과합니다. 과학·기술 뉴스는 과학 섹션에서 확인하실 수 있습니다.