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- 1961년 물리학자 롤프 란다우어는 두 가지(열역학과 정보)가 밀접한 관련이 있음을 증명
- 비트를 삭제하는 것은 항상 엔트로피 증가와 에너지 손실을 수반
- 정보와 양자 물리학이 흥미롭고 심오한 방식으로 실제로 서로 얽혀 있다는 중요한 확인

데이터 삭제에 에너지가 드는 이유
양자 시스템에서 정보 손실에 대한 획기적인 이론의 타당성을 실험으로 검증

데이터 삭제는 공짜가 아니다. 컴퓨터에서 데이터를 삭제하면 열 형태의 에너지가 소모된다. 그렇다면 양자 정보가 삭제되면 어떻게 될까요? 물리학자들은 초저온 원자 구름을 이용한 실험을 통해 이를 검증했다. 이 실험은 1960년대에 확립된 란다우어 원리가 양자 세계에도 적용된다는 것을 보여주었다. 양자 정보가 삭제되면 엔트로피가 증가하고 에너지가 손실된다. 

▲ 정보를 삭제하거나 손실하는 데는 에너지가 소모된다. 하지만 이것이 양자 시스템에도 적용될까요? © TU Wien/ Oliver Diekmann, oliver-diekmann.graphics

언뜻 보기에 열역학과 정보는 서로 큰 관련이 없어 보이지만, 이는 오해다. 1961년 물리학자 롤프 란다우어는 두 가지가 밀접한 관련이 있음을 증명했다. 정보 삭제에는 에너지가 소모된다. 빈 공과대학교의 외르크 슈미트마이어는 "소위 란다우어 원리는 '정보 삭제는 결코 공짜가 아니다'라는 것을 의미한다"며 "정보를 어떻게 저장하든, 얼마나 경제적이고 효율적으로 진행하든, 비트를 삭제하는 것은 항상 엔트로피 증가와 에너지 손실을 수반한다"고 설명했다.

하지만 이는 논리 연산이 비가역적이라는 것을 의미한다. 삭제 과정에서 열로 손실된 에너지는 다시 회수할 수 없습니다. 삭제를 되돌리려면 시스템에 다시 에너지를 공급하여 엔트로피를 감소시켜야 한다.

양자 시스템은 어떻게 "잊는" 걸까요?

그렇다면 이는 양자 물리학에서 무엇을 의미할까? 예를 들어, 양자 비트는 중첩과 얽힘이라는 양자 물리 현상을 통해 정보를 계산하고 저장한다. 그러나 큐비트를 읽는 순간, 이 상태가 종료되고 정보는 양자 입자에서 측정 장치로 전달된다. 이론적으로는 이 또한 에너지 손실과 엔트로피 증가를 수반한다. 하지만 한편으로, 양자 세계에서는 일반적으로 비가역적인 일부 과정, 심지어 시간까지도 가역적이다.

슈미트마이어와 베를린 자유대학교의 슈테판 아이메트(Stefan Aimet) 수석 저자, 그리고 그들의 연구팀은 란다우어 원리가 양자 메모리에도 적용되는지 조사했다. 칩 위에 떠 있는 초저온 루비듐 원자 구름이 양자 메모리 역할을 했다. 슈미트마이어는 "이제 전체 시스템을 두 부분으로 나눈다"고 설명했다. "한 부분은 우리가 분석하는 양자 시스템이고, 나머지 부분은 우리가 조사한 하위 시스템이 상호작용하는 환경, 즉 환경으로 정의한다."

▲ 실험 프로토콜의 개략도. Published: 05 June 2025 Experimentally probing Landauer’s principle in the quantum many-body regime / nature physics

그런 다음 물리학자들은 두 원자 구름 사이의 간섭을 측정하여 양자 시스템이 두 번째 구름의 형태로 환경과 어떻게 상호작용하는지, 정보가 어떻게 손실되는지, 그리고 엔트로피가 어떻게 전달되는지를 확인했다. 슈미트마이어는 "양자 입자의 간섭을 이용하여 이러한 양들을 계산하는 방법을 개발했다"고 말했다.

란다우어 원리는 양자 시스템에도 적용된다.

결과:
다체 양자 시스템 또한 란다우어 원리를 따른다. 양자 정보의 삭제는 엔트로피 전달과 에너지 손실을 동반한다. 따라서 큐비트조차도 에너지라는 형태의 대가 없이는 "망각"할 수 없다. 슈미트마이어는 "이것은 정보와 양자 물리학이 롤프 란다우어가 생각했던 것처럼 흥미롭고 심오한 방식으로 실제로 서로 얽혀 있다는 중요한 확인이다"고 말했다.

이 발견은 양자 컴퓨터 및 기타 양자 기술의 발전뿐만 아니라 기초 연구에도 중요하다. 슈미트마이어는 "이것은 미래의 양자 기술에 대한 더 나은 이해를 제공할 뿐만 아니라 양자 물리학의 근본적인 질문들을 이해하는 데에도 더 가까워지게 한다"고 설명했다.
참고: Nature Physics, 2025; doi: 10.1038/s41567-025-02930-9
출처: 비엔나 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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