뇌의 임계성 원리, 초전도 단일광자검출기 성능 개선에 적용 시도

신경과학 원리의 양자센서 이식

질서와 혼돈 사이의 경계, 즉 임계점 근방에서 뇌의 정보 처리 능력이 극대화된다는 이론이 신경과학 분야에서 오랫동안 연구되어 왔다. 이를 양자센서 설계에 접목하려는 시도가 시작됐다. 워싱턴대(세인트루이스) 생물학 부교수 Hengen은 아르곤 국립연구소 Armstrong과 함께 "초전도 다중시간 임계성 근방 연산(Superconducting Polychronous Computation Near Criticality)"이라는 이름의 학제간 프로젝트를 이끈다. DOE는 7월 말 Genesis Mission 프로그램을 통해 75만 달러를 지원했다.

임계성 개념과 이론적 배경

임계성은 물리학, 수학, 신경과학 전반에서 다뤄지는 개념으로, 엄격한 질서와 예측 불가능한 혼돈 사이의 경계 상태를 가리킨다. 이 경계 근방에서 시스템은 미세한 입력에도 민감하게 반응하면서 안정적인 정보 처리가 가능하다. Hengen 연구팀은 뇌가 스스로를 지속 조율해 임계점 근방을 유지하며, 임계점에 근접할수록 학습 속도가 빨라진다는 결과를 도출한 바 있다.

공동연구자는 워싱턴대 전기시스템공학과 ShiNung Ching 교수, 아칸소대 물리학자 Woodrow Shew, Hengen 연구실 박사후연구원 Leandro Fosque다. 이들은 임계성이 뇌만의 특성이 아니라 정보를 처리하는 복잡계 일반에 적용 가능한 원리라는 이론적 틀을 제시했고, 이것이 Armstrong의 관심을 끌어 협업으로 이어졌다.

초전도 나노선 단일광자검출기(SNSPD) 적용

연구가 집중하는 소자는 초전도 나노선 단일광자검출기(SNSPD)다. 극저온에서 전기 저항이 사라지는 초전도 상태의 나노선에 광자 하나가 충돌하면 일시적으로 초전도 상태가 깨지면서 전기 신호가 발생하는 원리로 단일 광자를 검출한다. Armstrong은 헬륨 원자핵에서 방출되는 광자를 감지하는 검출기를 개발하고 있으며, 연구팀은 SNSPD 네트워크를 임계점 근방으로 조율했을 때 시스템이 외부 개입 없이 스스로 최적 상태를 유지할 수 있는지 검토한다. 성공한다면 복잡한 양자 시스템 운용에서 가장 번거로운 과제 중 하나인 수동 교정(calibration) 부담을 줄이는 데 기여할 수 있다.

연구 일정 및 한계

프로젝트는 단계적으로 진행된다. 초기 약 9개월은 하드웨어 없이 이론 분석과 수치 모델링에 집중한다. 임계성과 센서 성능 사이의 관계를 수학적·시뮬레이션 수준에서 먼저 입증해야 한다. 이 단계가 성공적으로 완료되면 MIT에서 실제 칩 설계·제작에 참여하고, 이후 데이터 분석으로 검증 작업을 진행할 계획이다.

다만 근본적인 불확실성이 존재한다. 신경 회로에서 관찰된 임계성 효과가 초전도 전자 소자에 동일하게 전이된다는 보장은 없다. 초기 이론 단계는 바로 이 연결 고리의 유효성을 가늠하기 위한 것이다. 뇌과학 원리를 양자 하드웨어 설계 규칙으로 삼으려는 접근은 새롭지만, 실험적 검증까지는 아직 상당한 경로가 남아 있다.

DOE 제네시스 미션과의 맥락

이 연구는 DOE의 Genesis Mission 이니셔티브 일환으로, 국립연구소·대학·기업·슈퍼컴퓨터·인공지능·양자기술을 연결해 에너지, 소재, 생명공학, 핵과학, 양자정보 등 분야의 과학 발견을 가속하는 것을 목표로 한다. DOE는 올해 초 20여 개 과학기술 도전 과제를 위한 학제간 팀에 총 2억 9,300만 달러 규모의 지원 기회를 공표했으며, 이번 프로젝트는 그 방향성에 부합하는 학제 융합 연구의 사례다.