Ohm's law for information revealed by a skyrmion Maxwell's demon

인공지능 시대에 컴퓨팅의 가장 시급한 과제는 단순히 기계를 더 빠르게 만드는 것이 아니라, 더 효율적으로 만드는 것입니다. 모든 계산은 열을 발생시키며, 장치가 소형화됨에 따라 이 에너지 비용은 병목 현상이 됩니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 정보 열역학이라 불리는 물리학의 한 분야를 주목하고 있습니다. 이 분야는 정보를 추상적인 개념이 아니라 전기나 물처럼 이동하고 변형될 수 있는 물리적 양으로 취급하며, 정보와 에너지 사이의 깊은 연관성을 탐구합니다. 이 분야의 핵심 아이디어는 19세기의 사고 실험인 '맥스웰의 악마'입니다. 이 실험에서 아주 작은 지적인 존재는 에너지를 소비하지 않고 입자들을 분류하여 질서를 만들어내는데, 이는 마치 물리 법칙을 깨뜨리는 것처럼 보입니다. 현대 과학은 이 악마가 법칙을 어기는 것이 아니라, 정보를 사용함으로써 그 분류 작업에 대한 대가를 지불한다는 점을 명확히 했습니다. 악마는 시스템을 측정하여 지식을 얻고, 그 지식을 사용하여 일을 추출합니다. 이 과정은 전기 회로의 전압과 유사한 힘에 의해 구동되는 정보의 흐름을 생성합니다. 수십 년 동안 이론가들은 이 정보의 흐름이 전류가 전압에 비례한다는 옴의 법칙과 같이 단순한 규칙을 따를 것이라고 예측해 왔습니다. 그러나 복잡한 시스템 내의 미시적인 변화를 극도로 정밀하게 추적해야 하기 때문에, 실제 실험에서 이 관계를 증명하는 것은 매우 어려웠습니다.

연구팀은 이제 독특한 물리적 시스템인 자기 스커미온(magnetic skyrmions)을 사용하여 이 관계를 성공적으로 입증했습니다. 스커미온은 얇은 자성 박막에서 형성되는 직경 약 1~2 마이크로미터의 작고 소용돌이치는 자기 구조입니다. 고체 입자와 달리 스커미온은 물질의 이동을 포함하지 않으며, 대신 이동하고 상호작용할 수 있는 자기 패턴입니다. 상온에서 이 스커미온들은 열에너지로 인해 브라운 운동이라고 알려진 무작위적인 떨림을 보입니다. 연구진은 각각 하나의 스커미온을 보유한 두 개의 평행한 와이어로 구성된 장치를 만들었습니다. 한 스커미온은 '악마' 역할을 하고, 다른 하나는 '시스템' 역할을 합니다. 두 스키미온은 위 또는 아래의 두 위치 중 하나에 존재할 수 있는 작은 직사각형 영역에 갇혀 있습니다. 연구진은 현미경을 통해 시스템 스키미온을 관찰하고, 악마 스키미온을 보유한 와이어에 전류를 가했습니다. 이 전류는 피드백 메커즘 역할을 했습니다. 즉, 악마가 특정 위치로 이동하면 연구진은 시스템 스키미온이 원하는 방향으로 움직이도록 전류를 조절했습니다. 이 피드백 주기에서 시스템 스키미온에는 외부 힘이 직접 가해지지 않습니다. 대신 악마는 시스템의 상태에 대한 정보를 사용하여 운동을 유도하며, 효과적으로 정보를 물리적 운동으로 전환합니다.

실험 결과, 정보의 흐름은 놀랍게도 전기 전류와 유사하게 행동한다는 것이 밝혀졌습니다. 연구진이 피드백 신호의 강도를 높임에 따라 정보의 흐름도 정비례하여 증가했습니다. 이러한 선형 관계는 정보 전류가 '정보 친화력(information affinity)'에 의해 구동된다는 점을 확인시켜 주었으며, 이는 악마의 지식에 의해 생성되는 힘입니다. 연구진은 스키미온이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 위치를 바꾸는 횟수를 세어 이 흐름을 측정했습니다. 그들은 피드백이 배터리가 와이어 주변으로 전류를 구동하는 것과 마찬가지로, 루프를 따라 일정한 단방향 정보 흐름을 생성한다는 것을 발견했습니다. 나아가, 이 흐름이 완벽하게 매끄럽지 않으며, 와이어 속의 전자들이 원자와 부딪히는 것과 유사하게 저항과 산란을 겪는다는 사실도 발견했습니다. 시스템을 정확하게 설명하기 위해 연구팀은 표준 회로 이론의 법칙을 수정해야 했습니다. 그들은 단순한 전기 회로에서는 루프를 도는 힘의 합이 0이지만, 악마의 피드백은 단순한 퍼텐셜로 설명할 수 없는 비보존적 힘을 도입하기 때문에 합이 0이 아니라는 것을 발견했습니다.

또한 이 연구는 이 과정의 에너지 효율을 정량화했습니다. 연구진은 두 스키미온 사이의 상호작와 작용이 시스템에 자연스러운 편향을 생성하며, 이를 상온 열에너지의 약 0.47배의 에너지 비용으로 측정했습니다. 이 값은 이론적 예측과 일치했으며, 이는 정보 흐름이 악마의 피드백과 스키미온 사이의 자연스러운 반발력 사이의 상호작용에 의해 구동된다는 것을 확인시켜 주었습니다. 데이터를 분석함으로써 연구팀은 정보가 시스템을 얼마나 쉽게 통과하는지를 나타내는 '정보 전도도(information conductance)' 값을 계산했습니다. 이 값은 스키미온이 위치 사이를 이동하는 비율로부터 도출된 이론적 계산과 일치했습니다. 이 결과는 정보 회로가 익숙한 전기적 원리를 사용하여 모델링될 수 있지만, 정보 운반체가 상호작용하고 산란하는 독특한 방식을 설명하기 위해서는 조정이 필요함을 보여줍니다. 이 연구는 정보 전류가 선형 응답 법칙을 따른다는 최초의 실험적 증거를 제공하며, 추상적인 이론과 물리적 실재 사이의 간극을 메웠습니다. 이는 향-기 컴퓨팅 장치가 이러한 원리를 활용하도록 설계되어, 열역학 법칙이 규정하는 최소한의 에너지 비용으로 작동하는 컴퓨터를 구현할 수 있음을 시사합니다.