'정보론적 평형'으로 양자 열과정 구분…UNIST, 기준제시

이석형 교수, 싱가포르·독일 연구진과 공동 연구

[울산=뉴시스] 양자열역학에서 열적 작용, 깁스 보존 사상, 촉매 과정 등 다양한 양자 과정의 포함 관계를 나타낸 개념도. (사진=울산과학기술원 제공) 2026.09.22. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 열만 주고받는 것으로 가능한 양자 변화와 별도의 자원이 필요한 양자 과정을 구분할 수 있는 이론적 기준이 제시됐다.

양자계와 주변 환경의 상태가 상호작용 이후에도 유지되는지를 나타내는 '정보론적 평형'을 통해 열적 작용을 판별하는 방법이다. 이번 연구는 양자컴퓨터와 나노소자, 양자 열기관 등의 에너지 비용과 성능 한계를 분석하는 데 활용될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 이석형 교수는 싱가포르 난양공과대학교, 독일 베를린 자유대학교·하노버 라이프니츠대학교 연구진 등과 함께 '정보론적 평형(informational equilibrium)'을 이용해 양자 열과정 가운데 '열적 작용'과 '깁스 보존 사상'을 구분하는 기준을 제시했다고 22일 밝혔다.

열적 작용은 양자계가 열평형 상태의 주변 환경과 에너지를 주고받으면서 전체 에너지는 보존하는 양자 과정이다. 반면 깁스 보존 사상은 열평형 상태의 양자계에 작용했을 때 그 상태를 그대로 유지하는 과정을 뜻한다. 모든 열적 작용은 깁스 보존 사상에 해당하지만 모든 깁스 보존 사상이 열적 작용인 것은 아니다.

연구팀은 이 둘을 구분하기 위해 '정보론적 평형'이라는 조건에 주목했다. 독립적으로 준비한 양자계와 주변 환경이 상호작용한 뒤에도 각각의 상태가 변하지 않는 조건이다.

연구팀은 이 조건을 수학적으로 분석해 정보론적 평형을 유지하도록 구현할 수 있는 양자 과정이 정확히 열적 작용에 해당한다는 것을 증명했다. 즉 양자계가 이미 열평형에 있더라도 주변 환경의 상태까지 그대로 유지하면서 구현할 수 있는지가 열적 작용 여부를 가르는 기준이 된다.

반대로 깁스 보존 사상이면서 열적 작용이 아닌 과정은 어떤 방식으로 구현하더라도 주변 환경에 변화를 일으켜야 한다. 겉으로는 양자계의 상태가 달라지지 않더라도 이를 구현하기 위해서는 별도의 비평형 자원이 필요하다는 의미다.

연구팀은 이 원리를 바탕으로 양자 촉매의 한계도 규명했다. 양자 촉매는 양자계의 상태 변화를 돕고도 자신은 원래 상태로 돌아오는 보조 장치다. 연구 결과 양자계의 초기 상태에 작은 오차가 있더라도 촉매가 정확히 원래 상태로 돌아와야 한다면 촉매를 추가해도 열적 작용으로 가능한 양자 과정의 범위를 넓힐 수 없는 것으로 나타났다.

따라서 열적 작용의 한계를 넘어서는 촉매 효과를 얻으려면 초기 상태의 오차에 민감한 촉매가 필요하다는 것이 연구팀의 설명이다.

[울산=뉴시스] 울산과학기술원(UNIST) 이석형 교수. (사진=울산과학기술원 제공) 2026.09.22. [email protected]
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이 교수는 "온도나 각 양자 상태의 에너지를 미리 정하지 않고 양자계와 주변 환경의 상태가 유지된다는 정보론적 조건에서 열적 작용의 원리를 도출했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.

이어 "양자컴퓨터와 나노소자, 양자 열기관의 작동에 필요한 자원과 비용을 평가하려면 열을 주고받는 것만으로 가능한 과정과 추가 자원이 필요한 과정을 구분해야 한다"며 "이번 연구가 양자정보처리 장치의 에너지 비용과 양자 열기관의 성능 한계를 분석하는 기초 이론으로 활용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구에는 난양공과대학교 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수, 베를린 자유대학교 손정락 연구원, 하노버 라이프니츠대학교 헨리크 빌밍(Henrik Wilming) 교수, 독립 연구자 파울 보에스(Paul Boes)가 참여했다.

연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 7월 13일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원(IITP)과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.


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