시간 결정(Time Crystal), 움직이지 않는 움직임의 물리학

우리는 익숙한 세계 속에서 살아갑니다. 사과는 떨어지고, 얼음은 녹으며, 차는 식습니다. 이 모든 것은 ‘엔트로피 증가’라는 물리 법칙에 따릅니다. 다시 말해, 시간은 한 방향으로만 흐릅니다. 하지만 여기, 이 상식을 뒤흔드는 물질이 있습니다.
바로 시간 결정(Time Crystal)입니다. 시간 결정은 2012년, 노벨 물리학상 수상자인 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 처음 이론화한 개념으로, 일반적인 물질이 공간적으로 반복되는 것처럼 시간 상에서 반복되는 패턴을 갖는 새로운 상태입니다.

그게 무슨 말일까요? 시간이 멈췄는데 계속 움직인다고요? 자, 이제 본격적으로 이 기이한 물질을 들여다보겠습니다.

 

 

목차

 

시간 결정이란 무엇인가?

우선, 기존의 결정체(결정 구조)와의 비교부터 시작해보죠.

구분	공간 결정(Space Crystal)	시간 결정(Time Crystal)
패턴의 반복	공간상에 주기적으로 원자 배열	시간상에 주기적인 상태 변화
예시	소금, 다이아몬드, 금속 결정	양자 스핀 상태 변화
에너지 요구	정지 상태에서 존재 가능	지속적인 에너지 공급 필요

• 공간 결정은 우리가 잘 아는 ‘고체’ 상태입니다. 예를 들어 소금의 격자 구조.
• 반면 시간 결정은, 외부 자극(펄스)을 받았을 때, 상태가 고정되지 않고 주기적으로 변화합니다.
• 그 변화는 시스템에 주어진 펄스와 다른 주기로 일어나므로, 고전 물리학으로 설명할 수 없습니다.

시간 결정의 역사 – 이론에서 현실로

“시간이 결정처럼 구조를 가진다면…?” 이 물음은 2012년, 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)에 의해 제기되었습니다. 그는 우리가 알고 있는 고체 결정(크리스탈)이 공간에서 반복적인 패턴을 가진다면, 시간에도 반복적인 패턴을 가진 ‘시간의 결정’이 존재할 수 있지 않을까라는 아이디어를 제안했습니다. 하지만 이 주장은 당시에 너무 급진적이었습니다. ‘시간 결정(Time Crystal)’이라는 말 자체가 마치 과학 소설에서 나온 듯 들렸고, 대부분의 물리학자들은 이 개념이 현실에서 구현될 수 없다고 생각했습니다. 그러나 단 10년도 되지 않아, 이 상상이 현실이 됩니다.

연도	주요사건	주체 및 설명
2012	시간 결정 개념 제안	프랭크 윌첵, MIT 재직 당시 시간 주기성 가진 새로운 물질 상태 가설 발표
2016	시간 결정의 물리적 구현 가능성 제기	UC버클리 연구진, 폐쇄계가 아닌 개방계(Drive system)에서는 시간 결정이 실현 가능하다고 주장
2017	최초의 실험적 구현 성공	하버드대 & 메릴랜드대, 이온 트랩 및 루비듐 원자를 통해 시간 결정적 행동 관측
2021	구글 AI Quantum, 양자컴퓨터로 시간 결정 시뮬레이션	Sycamore 칩을 사용해 20 큐비트 양자시스템에서 시간 결정 구현 성공

특히 2021년 구글의 실험은 커다란 전환점이 되었습니다. 양자컴퓨터인 Sycamore가 외부에서 주기적인 자극을 받으면서도 ‘고정된 주기적 변화’를 유지하는 현상을 구현해냈기 때문입니다. 시간 결정의 역사는 단순히 한 개념이 실험적으로 검증된 과정을 넘어, 과학이 상상력을 현실로 바꾸는 힘을 보여줍니다. 2012년 제안 당시만 해도 ‘불가능’하다고 여겨졌던 개념이, 단 10년 만에 실험실에서 구현, 양자컴퓨터라는 미래 기술과 접목되며 새로운 응용 가능성까지 보여주고 있습니다.

 

구글의 실험: 양자컴퓨터에서 시간 결정 만들기

시간 결정(Time Crystal)은 ‘시간이 흐르면서도 변하지 않는 상태’라는, 언뜻 보기엔 자기모순적인 성질을 가집니다. 이러한 물리적 상태를 관측하려면 고전적인 실험 장치로는 불가능하고, 양자역학적인 시스템과 정교한 제어 기술이 필수적입니다. 그런 면에서 양자컴퓨터는 시간 결정을 구현할 수 있는 최고의 도구입니다. 특히 구글이 개발한 양자컴퓨터 Sycamore(사이커모어)는 2019년 세계 최초로 ‘양자 우월성’을 입증한 이후, 다양한 실험에 사용되었고, 2021년에는 시간 결정 시뮬레이션에 성공하며 물리학계에 강력한 충격파를 던졌습니다.

• 실험 플랫폼: Sycamore 양자컴퓨터
  구글의 Sycamore는 20개의 슈퍼컨덕팅 큐비트(양자 비트)를 활용하는 양자 시스템입니다.
  이 큐비트들은 서로 연결되어 있으며, 매우 빠른 속도로 양자 상태를 전환할 수 있습니다.
  
  
• 시스템 구성: 20 큐비트 체인 구성
  큐비트들은 일렬로 배열되어 있으며, 서로 상호작용하도록 설계되었습니다.
  이 구조는 시간 결정의 ‘집단적 상태 변화’를 유도하기 위한 기본 셋업이었습니다.
  
  
• 드라이브 시스템: 주기적 마이크로파 펄스 주입
  외부에서 일정한 주기로 마이크로파 펄스를 큐비트에 주입했습니다.
  일반적으로는 이런 펄스를 가하면 동일한 주기로 상태가 반응해야 하지만,
  시간 결정에서는 펄스보다 긴 주기로 반응하는 독특한 현상이 나타났습니다.
  
  
• 측정 결과: 시간 주기성의 ‘배수’ 현상 감지
  펄스가 예를 들어 1초 간격으로 주입되었을 때, 시스템은 2초, 4초 등 더 긴 주기로 반복되는 양상을 보였습니다.
  이는 고전 물리로 설명할 수 없는 비자발적 대칭 깨짐(spontaneous symmetry breaking)의 증거로 간주됩니다.
  
  
• 상태 안정성: 에너지 소모 없이 변화 반복
  시간 결정 상태는 외부 에너지 공급 없이도 지속적으로 동일한 상태로 반복되며, 열역학적 평형 상태를 유지했습니다.
  이는 ‘에너지 보존의 법칙’을 따르면서도, 시스템이 끊임없이 변화하는 상태를 유지할 수 있다는 사실을 보여줍니다.
  
  
• 양자 얽힘의 영향: 큐비트 간 상태 간섭 최소화 성공
  실험 중에는 큐비트 간의 얽힘(entanglement)도 정밀하게 제어되었으며, 얽힘이 시간 결정의 주기성 유지에 핵심적인 역할을 했습니다.

이처럼 구글의 실험은 단순한 ‘이론의 증명’ 그 이상이었습니다. 이는 시간 결정이라는 추상적 개념이, 실제로 구현될 수 있는 물질 상태임을 입증한 최초의 사례였고, 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 도달할 수 없는 영역을 탐색하는 데 얼마나 강력한 도구인지를 다시 한번 증명한 계기가 되었습니다.

 

시간 결정은 왜 중요한가?

‘시간 결정(Time Crystal)’이라는 개념은 언뜻 보기엔 단순한 이론적 실험처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이 현상은 물리학의 가장 깊은 질문들—예컨대 “시간이란 무엇인가?”, “운동은 항상 에너지를 소비해야 하는가?” 같은—에 직접적으로 도전합니다. 뿐만 아니라, 양자 정보 과학, 에너지 제어, 고신뢰 시스템 설계 등 수많은 분야에서 활용될 수 있는 실질적 응용 가능성까지 내포하고 있죠. 즉, 시간 결정은 과학의 가장 근본적인 질문을 새롭게 정의함과 동시에, 양자컴퓨터 이후의 미래 기술 생태계를 구성하는 핵심 요소로 떠오르고 있습니다.

 

 

• 열역학 법칙을 새롭게 해석하게 만든다
  기존 물리학에서는 ‘움직임’은 곧 ‘에너지 소모’를 뜻했습니다. 하지만 시간 결정은 외부 에너지를 소모하지 않고도 자기조직적으로 움직이는 시스템을 보여주며, 열역학 제2법칙의 해석을 다시 고민하게 만들고 있습니다.
• 양자 정보의 안정적 저장 가능성 제시
  양자 시스템은 외부 환경에 매우 민감해 디코히런스(quantum decoherence)가 자주 발생합니다. 하지만 시간 결정은 그 자체로 반복되고 안정적인 양자 상태를 유지하기 때문에, 향후 양자 메모리의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기반이 됩니다.
  
  
• 고신뢰 양자컴퓨팅의 핵심 기술로 부상
  양자컴퓨터는 연산 중 오류가 누적되기 쉬운데, 시간 결정 구조를 회로의 일부로 활용하면 오류 없이 반복되는 상태 제어가 가능해져 고신뢰 연산이 가능해집니다. 이는 실용적인 양자컴퓨터 상용화에 매우 중요한 요소입니다.
  
  
• 비주기적 상태 제어 기술에 응용 가능
  시간 결정은 ‘입력과 다른 주기로 반응’하는 특성을 가지므로, 일반적인 신호처리나 센서 기술에서도 특정 주기의 필터링, 증폭, 감지 기능을 구현할 수 있습니다. 이는 양자센서, 생체 리듬 동기화 기술 등과의 융합 가능성도 의미합니다.
  
  
• 시간의 본질에 대한 철학적·우주론적 질문 제기
  우리가 ‘선형적으로 흐른다’고 믿는 시간은 정말 그런가? 시간 결정은 이러한 철학적 질문을 물리학적으로 실험할 수 있는 장을 열었습니다. 우주론, 블랙홀 연구, 다중우주 이론 등과의 연계도 가능성이 제기되고 있습니다.

시간 결정이 흔드는 ‘시간’의 개념

물리학자들은 오랫동안 시간의 본질을 정의하려 했습니다.아이작 뉴턴은 절대 시간을, 아인슈타인은 상대적 시간을 말했죠. 그러나 시간 결정은 시간이 '고정되지 않은 구조'일 수도 있다는 가능성을 열어줍니다.

 

시간 결정이 암시하는 변화

• 시간은 단방향이 아닐 수 있다
• 시간 흐름 자체도 '주기성'을 가질 수 있다
• 양자 상태에서 시간은 고정된 법칙이 아니다

이러한 관점은 양자 중력 이론, 우주 시뮬레이션 이론 등과도 연결되며, 기존의 물리 이론을 새롭게 해석할 가능성을 열어줍니다. 시간 결정은 단순히 실험실에서 만들어낸 희귀한 상태가 아닙니다. 그것은 ‘시간이란 무엇인가’라는 가장 오래된 질문에 대해, 새로운 방식으로 답을 시도하는 시도입니다. 우리는 이미 공간에서 대칭성과 결정 구조를 이해해왔습니다.
그렇다면 이제, 시간에서도 패턴과 규칙을 찾을 수 있어야 하지 않을까요? 시간 결정은 양자컴퓨터, 미래 물리학, 심지어 철학적 질문까지 건드릴 수 있는 혁명적인 개념입니다. 이제 물리학은 공간뿐 아니라 ‘시간의 구조’도 설계하고 구현할 수 있는 시대로 접어들고 있습니다.

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양자 중력과 양자 컴퓨터, 블랙홀 속 계산 가능성

양자 컴퓨팅의 대중화, 언제쯤 다가올까?