Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

거의 한 세기 동안, 과학자들은 물질이 어떻게 과거를 기억하는지 이해하기 위해 간단한 테스트를 사용해 왔습니다. 철 조각에 자기장을 가한 다음 이를 천천히 역전시킴으로써, 그들은 지연 현상을 관찰합니다. 즉, 외부의 힘이 변할 때 물질은 자기 방향을 즉각적으로 바꾸지 않습니다. 대신, 물질은 저항하며 원래의 방향을 유지하다가 반대 방향의 힘이 그 움켜쥐는 힘을 깨뜨릴 만큼 강해질 때 비로소 방향을 바꿉니다. 히스테리시스(hysteresis)라고 알려진 이 현상은 자석이 데이터를 저장할 수 있는 이유이며, 특정 물질이 메모리 장치처럼 작동하는 이유입니다. 일상적인 물리학의 고전적 세계에서 이러한 동작은 잘 이해되어 있으며, 변화에 저항하는 안정적인 자기 영역의 존재에 의존합니다. 그러나 고전 물리학의 근본 법칙에 따르면, 1차원적인 자기 원자 배열에서는 이러한 저항이 불가능해야 합니다. 복잡하고 안정적인 구조를 만들 추가적인 차원이 없다면, 이 선형 구조들은 가해진 자기장에 따라 즉각적이고 완벽하게 뒤집혀야 하며, 기억을 전혀 보여주어서는 안 됩니다.

이는 현대 물리학에 있어 당혹스러운 상황을 만듭니다. 연구자들은 최근 복잡한 최적화 문제를 해결하도록 설계된 강력한 양자 컴퓨터, 특히 양자 어닐러(quantum annealer)를 사용하여 자기 물질을 시뮬레이션하기 시작했습니다. 이 기계들은 절대 영도에 가까운 온도에서 작동하며, 입자가 동시에 여러 상태로 존재하거나 장벽을 뚫고 지나가는 터널링 현상을 일으키는 양자 역학의 기묘한 규칙들을 사용합니다. 이러한 양자 시스템은 갇힌 상태에서 벗어나 최적의 해답을 빠르게 찾도록 설계되었기 때문에, 히스테리시스를 유발하는 바로 그 기억 효과를 제거할 것으로 예상되었습니다. 그러나 과학자들이 이 기계들에서 실험을 수행했을 때, 그들은 정반대의 결과를 발견했습니다. 수천 개의 양자 비트(qubit)로 이루어진 1차원 선 구조에서도, 시스템은 즉시 뒤집히기를 거부했습니다. 그것은 끈질긴 저항을 보였으며, 고전적 기대를 저버리는 명확한 기억과 지연을 나타냈습니다. 이 발견은 양자 역학이 기억을 지우는 것이 아니라, 완전히 새로운 종류의 기억을 만들어낼 수 있음을 시사합니다.

새로운 연구에서 로스앨러모스 국립연구소(Los Los Alamos National Laboratory)의 연구팀은 이 놀라운 동작을 이해하기 위해 착수했습니다. 그들은 수천 개의 초전도 큐비트를 포함하는 특화된 양자 어닐러인 세 세대의 D-Wave 양자 어닐러를 사용했습니다. 연구진은 이 기계들이 수천 개의 개별 단위로 구성된 긴 고리 형태의 자기 스핀처럼 작동하도록 프로그래밍했습니다. 그런 다음 그들은 고전적인 히스테리시스 테스트를 모방하여 방향이 서서히 변하는 자기장을 가했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 고전 물리학이 저항이 없어야 한다고 예측하는 1차원 고리 내에서도, 양자 시스템은 뚜렷한 '보자력(coercivity)', 즉 자화(magnetization)를 뒤집기 위해 얼마나 큰 힘이 필요한지를 나타내는 척도를 보여주었습니다. 시스템은 단순히 뒤집히는 것이 아니라 주저했으며, 데이터 상에서 루프를 형성하여 과거의 방향을 기억하고 있음을 증명했습니다. 이 기억은 고전 이론이 금지한다고 말하는 영역에서도 지속되었습니다.

이 현상이 어떻게 발생하는지 설명하기 위해, 연구팀은 문제를 바라보는 두 가지 서로 다른 방식을 결리한 새로운 이론적 프레임워크를 개발했습니다. 그들은 이 시스템이 양자 기계와 고전적 기계의 하이브리드처럼 행동한다는 것을 깨달았습니다. 양자 측면에서, 시스템은 입자가 벽을 뚫고 지나가는 터널링과 유사하게 에너지 상태 사이를 빠르고 불연속적으로 도약합니다. 고전적 측면에서, 일단 이러한 도약이 일어나면 시스템은 서로 다른 자기 정렬 영역을 구분하는 이동하는 경계, 즉 '도메인 벽(domain walls)'의 집합체처럼 행동합니다. 연구진은 기억 효과가 이 두 과정 사이의 상호작용에서 발생한다는 것을 발견했습니다. 양자 도약은 최저 에너지 상태가 아닌 들뜬 상태(excited states)를 생성하며, 도메인 벽의 움직임은 시스템이 안정적인 상태로 다시 이완되는 속도를 결정합니다. 시스템이 이러한 들뜬 상태에 한동안 갇혀 있기 때문에 즉각적으로 뒤집힐 수 없으며, 이것이 관찰된 지연을 만들어냅니다.

이 연구는 이러한 동작이 단순한 하드웨어의 오류가 아니라 진정한 물리적 현상임을 확인했습니다. 연구진은 오직 양자 시스템만이 생성할 수 있는 특정 징후들, 예를 들어 자기장에 대한 일시적인 음의 응답과, 자화가 안정되기 전에 복잡한 패턴으로 앞뒤로 흔들리는 비단조적 역전 현상을 관찰했습니다. 이러한 특징들은 정확한 양자 전이 계산과 자기 경계의 움직임을 모델링하는 과정을 교대로 사용하는 방식으로 수행된 컴퓨터 시뮬레이션에서도 거의 완벽하게 재현되었습니다. 시뮬레이션은 양자 어닐러로부터 얻은 실험 데이터와 일치하였으며, 히스테리시스 루프의 형태와 자기장 스윕(sweep) 속도 변화에 따른 기억 효과의 변화를 정확히 포착했습니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 이 양자 기억이 일반적인 물질에서 보이는 열적 기억(thermal memory)과는 구별된다는 점입니다. 표준 자석에서는 열이 물질의 뒤집힘을 돕습니다. 그러나 이 양자 실험에서는 열적 요동이 무시될 정도로 충분히 낮은 온도에서도 기억이 지속됩니다. 대신, 기억은 자기장이 변화하는 속도와 양자 상태 사이의 자연스러운 에너지 간격 사이의 경쟁에 의해 구동됩니다. 만약 자기장이 너무 빠르게 변하면 시스템은 따라잡지 못하고 높은 에너지 상태에 갇히게 됩니다. 만약 천천히 변한다면 시스템은 이완할 시간을 갖게 됩니다. 연구진은 양자 힘의 강도와 스윕 속도를 조절함으로써 히스테리시스 루프의 크기를 자유롭게 줄이거나 확장하며 기억 효과를 제어할 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구팀은 또한 시스템의 크기가 이 동작에 미치는 영향을 탐구했습니다. 그들은 단 4개의 큐비트부터 거의 5,000개에 달하는 링까지 테스트했습니다. 가장 작은 시스템에서 양자 효과가 가장 두드러졌지만, 기억 효과는 가장 큰 링에서도 견고하게 유지되었습니다. 이는 이 현상이 소규모의 이상 현상이 아니라, 양자 시스템이 비평형 상태로 몰릴 때 나타나는 근본적인 속성임을 시사합니다. 연구진은 2차원 격자에서는 행동이 달랐으며, 스핀을 뒤집기 위해 더 강한 자기 정렬과 더 큰 자기장이 필요하다는 점을 언급했는데, 이는 고전 자석에 대해 알려진 바와 일치합니다. 그러나 1차원 고리는 고전 물리학이 저항이 없어야 한다고 말하는 수준의 저항을 보여주었다는 점에서 가장 놀라운 대상이었습니다.

이 연구는 양자 어닐러가 비평형 역학(non-equilibrium dynamics), 즉 시스템이 평온한 상태에 머물러 있는 것이 아니라 밀리고 당겨지는 동안 어떻게 행동하는지를 다루는 분야를 연구하는 강력한 도구임을 확립했습니다. 이러한 기계가 프로그래밍 가능한 기억을 나타낼 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 양자 시스템이 정보를 처리하고 역사를 보유하는 방식을 탐구하는 새로운 길을 열었습니다. 프로그래밍 가능한 장치에서 이러한 효과를 관찰하고 제어할 수 있다는 능력은, 과학자들이 이전에는 불가능했던 방식으로 양자 기억과 상전이에 관한 이론을 테스트할 수 있게 해줍니다. 이 연구는 모든 양자 자성의 신비를 풀었다고 주장하는 것이 아니라, 양자 전이와 도메인 벽 운동의 혼돈스러운 춤으로부터 어떻게 기억이 출현할 수 있는지에 대한 명확하고 실험적으로 검증된 그림을 제공합니다.

이 발견의 함의는 실험에 사용된 특정 기계를 넘어 확장됩니다. 연구진이 개발한 하이브리드 모델은 양자 계산과 이동하는 경계의 고전적 묘사를 결합하여 복잡한 자기 물질을 시뮬레이션하는 새로운 방법을 제시합니다. 이 접근 방식은 과학자들이 더 나은 자기 저장 장치를 설계하거나 표준 범주에 맞지 않는 이색적인 물질의 행동을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 더 중요한 것은, 양자 컴퓨터가 단순히 빠른 계산기가 아니라, 물리 법칙을 테스트하고 조작할 수 있는 독특한 실험실이라는 점을 강조한다는 것입니다. 1차원 양자 시스템에서 관찰된 히스테리시스는 자연이 종종 우리의 가장 기본적인 가정을 도전하는 놀라움을 간직하고 있음을 상기시켜 주며, 양자와 고전 세계 사이의 경계가 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 투과적이라는 사실을 보여줍니다.

연구진은 이 실험에서 관찰된 기억이 시스템이 상태 사이를 전이하고 이완하는 특정한 방식에서 기인하는 진정한 양자 효과라고 결론지었습니다. 그들은 이러한 결과가 단순히 열이나 고전적 노이즈 때문이 아님을 확인했는데, 왜냐하면 그러한 요인들이 무시되어야 하는 조건에서도 행동이 지속되었기 때문입니다. 대신, 기억은 변화하는 자기장에 시스템이 즉각적으로 적응하지 못하는 결과, 즉 양자 전이가 일어나는 데 걸리는 유한한 시간과 그로 인해 발생하는 자기 도메인이 재배열되는 데 걸리는 시간으로 인해 발생하는 지연의 직접적인 결과입니다. 이 연구는 양자 역학이 고전적 물질의 능력을 모방하거나 때로는 능가하는 집단적 행동을 일으킬 수 있다는 구체적인 사례를 제공합니다. 이는 양자 기억 효과를 이해하고 활용함으로써, 우리가 이제 막 이해하기 시작한 원리에 기반하여 작동하는 새로운 유형의 컴퓨팅 및 센싱 기술을 개발할 수 있음을 시사합니다.