양자 배터리, '인과 순서' 파괴로 충전 혁명…속도·효율 한계 넘었다

원인과 결과의 시간적 순서를 뒤섞는 파격적인 양자 역학 원리를 이용해 양자 배터리의 충전 효율을 획기적으로 높이는 기술이 개발됐다. 기존 배터리의 물리적 한계를 뛰어넘는 '에너지 혁명'의 발판이 마련됐다는 평가다.
29일(현지시각) 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트에 따르면 대만 국립 청쿵대학교 포롱 라이(Po-Rong Lai) 연구팀은 최근 '순환적 무한 인과 순서(Cyclic Indefinite Causal Order)'라는 개념을 도입해 양자 배터리의 성능을 극대화하는 새로운 충전 프로토콜을 성공적으로 시연했다. 이 연구 결과는 향후 초소형 고효율 전원 장치가 필요한 첨단 IT 기기와 양자 컴퓨팅 분야에 거대한 파급력을 미칠 것으로 전망된다.


고전 물리학에서는 '충전기 A가 에너지를 준 뒤 충전기 B가 준다'는 식의 명확한 인과 순서가 존재한다. 그러나 연구팀은 양자 역학의 '중첩' 원리를 활용해 이러한 순서를 무너뜨렸다. 여러 개의 충전 경로가 시간적으로 중첩되어 동시에 탐색 되도록 한 것이다.

이 과정에서 발생하는 '건설적 간섭' 효과는 충전 효율을 순간적으로 폭등시키는 현상을 만들어냈다. 특히 연구팀은 기존 연구들이 두 개의 시퀀스 중첩에 그쳤던 것과 달리, 충전기 개수(N)에 따라 N개의 시퀀스를 동시에 중첩할 수 있는 확장성을 확보했다. 실험 결과, 투입되는 충전기 수가 많아질수록 효율 급증 현상의 지속 시간도 이에 비례해 길어지는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이론적 분석을 검증하기 위해 세계적인 양자 컴퓨팅 플랫폼인 아이온큐(IonQ), 퀀티넘(Quantinuum), IBMQ의 프로세서에 해당 프로토콜을 직접 구현했다. 서로 다른 하드웨어 아키텍처와 큐비트 기술을 가진 다양한 플랫폼에서 일관된 효율 향상이 관찰됐다는 점은 이 기술의 높은 견고성과 실용화 가능성을 시사한다.

연구팀은 양자 시스템에서 추출 가능한 최대 일의 척도인 '에르고트로피(Ergotropy)'를 기준으로 효율을 측정했다. 이를 통해 기존의 선형적 충전 방식보다 에너지 전달 속도와 저장 효율 면에서 압도적인 우위를 점하고 있음을 객관적으로 입증했다.


물론 과제도 남아있다. 양자 효과를 유지하기 위해 필수적인 '양자 결맞음' 상태가 환경 노이즈 등에 의해 쉽게 파괴되기 때문이다. 연구팀은 향후 오류 정정 코드와 개선된 큐비트 설계를 통해 결맞음 지속 시간을 연장하는 연구에 집중할 계획이다.
전문가들은 이번 연구가 양자 배터리를 넘어 양자 열기관이나 양자 냉장고 등 양자 열역학 전반에 응용될 수 있다고 보고 있다.

에너지 저장의 패러다임을 바꿀 이번 기술이 실용화될 경우, 전력 소모가 극심한 미래 IT 산업과 우주·나노 기술 분야에서 '에너지 손실 제로'에 도전하는 핵심 동력이 될 것으로 기대된다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com