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이는 간단하지만 중요한 질문을 제기합니다. 제한된 영역에서 효율성이 떨어지기 전에 얼마나 많은 로봇을 배치할 수 있습니까? 하버드 연구원들은 명확한 답을 찾았다고 믿습니다.

효율성을 높이는 간단한 아이디어

Lola England de Valpine 응용 수학, 유기체 및 진화 생물학, 물리학 교수인 L. Mahadevan 연구실의 새로운 연구에 따르면 로봇이 움직이는 방식에 무작위성을 제어하면 혼잡한 환경에서 혼잡을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

이 작업은 수학적 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실제 실험을 결합합니다. 이는 기본적인 지역 이동 규칙이 어떻게 더 큰 규모의 조직적이고 효율적인 결과로 이어질 수 있는지 보여줍니다. 이번 연구 결과는 로봇 차량의 설계 방식에 영향을 미칠 수 있으며 인간 군중 관리 및 교통 흐름에도 적용될 수 있습니다. 이 연구는 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되었으며 응용수학 박사가 주도했습니다. 학생 Lucy Liu와 SEAS 선임 연구원 Justin Werfel의 지도를 받았습니다.

무작위성이 복잡한 행동을 예측하는 데 도움이 되는 이유

Liu는 개인이 수많은 가능한 경로를 택하고 예측할 수 없는 방식으로 상호 작용할 수 있기 때문에 밀집된 군중을 연구하는 것이 어렵다고 설명했습니다. 문제를 단순화하기 위해 연구원들은 각 로봇을 움직임의 작은 조정 가능한 변화량을 갖는 기본 단위로 취급했습니다.

“무작위성이 어떻게 작업을 더 쉽게 만들 수 있기 때문에 이것은 직관에 어긋날 수 있습니다.” 리우가 말했다. “하지만 이 경우 무작위성이 많으면 평균 거리, 평균 시간, 평균 행동 등 평균을 취하는 것이 가능해집니다. 이렇게 하면 예측이 훨씬 쉬워집니다.”

움직이는 로봇 떼 시뮬레이션

이 아이디어를 탐구하기 위해 팀은 에이전트라고 불리는 로봇 그룹의 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었습니다. 각 에이전트는 임의의 위치에서 시작되었으며 임의의 목적지가 할당되었습니다. 목표에 도달하면 즉시 새로운 목표를 수신하여 실제 시스템의 지속적인 작업 할당을 모방합니다.

각 에이전트는 “노이즈”라고 설명되는 조정 가능한 변형량을 사용하여 목표를 향해 나아갔습니다. 소음 없이 요원들은 직선으로 움직였다. 소음이 높으면 경로가 불규칙하고 비효율적이 됩니다. 그러나 이러한 방황은 그들이 서로를 탐색하는 데도 도움이 되었습니다.

소음의 “골디락스 존(Goldilocks Zone)” 찾기

시뮬레이션 결과 명확한 패턴이 드러났습니다. 에이전트가 완벽하게 직선 경로로 이동하면 빠르게 빽빽한 클러스터가 형성되고 진행이 중단되는 교통 체증이 발생합니다. 움직임이 너무 불규칙해지면 혼잡은 사라졌으나 과도한 방황으로 인해 효율성이 떨어졌습니다.

연구자들은 이러한 극단 사이에서 최적의 지점을 식별했습니다. 이 범위에서는 요원들이 가끔 서로 부딪쳐 짧은 시간 동안 클러스터를 형성했지만, 그래도 간신히 지나가며 계속 움직였습니다. 이 균형을 통해 시스템은 안정적인 흐름을 유지할 수 있었습니다.

시뮬레이션에서 수학적 모델까지

이러한 통찰력을 사용하여 팀은 “목표 달성률”, 즉 시간이 지남에 따라 도달한 목적지 수를 추정하는 공식을 개발했습니다. 이러한 방정식을 통해 군중 밀도와 이동 무작위성의 이상적인 조합을 결정하여 성능을 극대화할 수 있었습니다.

실제 로봇으로 이론 테스트

이번 발견을 확인하기 위해 Liu는 네덜란드 아인트호벤 공과대학의 물리학자 Federico Toschi와 협력했습니다. 그들은 머리 위 카메라가 장착된 실험실에서 바퀴가 작은 로봇을 이용한 실험을 함께 시작했습니다.

각 로봇에는 QR 코드가 있어서 로봇의 위치를 ​​추적하고 새로운 목적지로 업데이트할 수 있었습니다. 실제 로봇은 시뮬레이션된 에이전트보다 더 느리고 덜 정확하게 움직이지만 동일한 전체 패턴을 나타냈습니다.

간단한 규칙, 복잡한 결과

실험은 핵심 아이디어를 뒷받침했습니다. 매우 복잡한 조정에는 고급 지능이나 중앙 집중식 제어가 필요하지 않습니다. 대신, 단순한 지역 규칙은 적어도 특정 밀도 제한 내에서 효과적인 그룹 행동을 생성할 수 있습니다.

Mahadevan은 “개미 떼, 동물 무리, 로봇 그룹 등 활동적인 물질이 어떻게 기능을 발휘하고 자기 조직화 원리를 사용하여 혼잡한 환경에서 작업을 수행하는지 이해하는 것은 행동 생태학의 많은 질문과 관련이 있습니다”라고 말했습니다. “우리 연구는 우리가 초점을 맞춘 인스턴스화보다 훨씬 더 광범위한 전략을 제안합니다.”

로봇 공학을 넘어서는 의미

Liu는 오랫동안 더 안전하고 효율적으로 혼잡한 공간을 디자인하는 데 관심을 가져왔다고 말했습니다. 이 연구는 수학적 도구를 사용하여 로봇, 차량, 사람 등 대규모 그룹의 움직임을 예측하고 최적화할 수 있는 미래를 가리킵니다.

결과는 이동 패턴에 제어된 가변성을 도입하면 공장 바닥에서 도시 거리에 이르기까지 많은 실제 시스템의 흐름을 향상시킬 수 있음을 시사합니다.

주요 시사점

• 하버드 SEAS 연구원들은 많은 수의 로봇이 동일한 공간에서 작동할 때 움직임에 무작위성을 제어하면 효율성을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다.
• 이 연구는 중앙 통제 없이도 얼마나 단순한 로컬 이동 규칙이 놀랍도록 복잡하고 잘 조정된 그룹 행동을 생성할 수 있는지 강조합니다.
• 이 작업에서 개발된 수학적 모델은 로봇 무리의 설계를 최적화하고 도시, 교통 시스템, 공공 장소와 같은 혼잡한 환경을 관리하는 방법을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구에 대한 자금은 Simons Foundation 및 Henri Seydoux Fund의 보조금과 함께 보조금 번호 DGE 2140743의 국립 과학 재단 대학원 연구 펠로우십 프로그램에서 나왔습니다.

외계 생명체를 찾는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 먼 행성에서 관찰된 특징이 실제로 살아있는 유기체를 가리키는지 여부를 결정하는 것입니다. 행성 대기의 특정 가스와 같은 일반적인 생체특징은 때때로 무생물 과정에 의해 생성되어 위양성을 초래할 수 있습니다. 기술 서명은 더 설득력이 있을 수 있지만 지적 생명체가 어떻게 행동할지에 대한 가정에 의존하므로 불확실성이 추가됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다른 관점을 탐구했습니다. 개별 행성에 초점을 맞추는 대신, 그들은 생명이 여러 세계에 걸쳐 미치는 광범위한 영향을 통해 식별될 수 있는지 물었습니다.

“불가지론적 생체특징” 접근법

연구팀은 생명이 무엇인지, 생명이 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 지식에 의존하지 않는 ‘불가지론적 생체특징’ 개념을 도입했습니다. 이 방법은 두 가지 일반적인 아이디어, 즉 생명체가 행성 사이를 이동할 수 있다는 것과(예를 들어 범정자증을 통해) 생명체가 거주하는 환경을 점진적으로 변화시킨다는 아이디어에 기초합니다.

이 개념을 테스트하기 위해 연구원들은 에이전트 기반 시뮬레이션을 사용하여 생명이 어떻게 항성계에 퍼져 행성 특성에 영향을 미칠 수 있는지 모델링했습니다. 그들의 결과는 생명체가 퍼지고 행성을 변화시키는 경우 행성의 위치와 행성이 표시하는 특성 사이에 측정 가능한 통계적 연결을 생성할 수 있음을 보여줍니다.

중요한 것은 이러한 패턴은 단일 행성이 명확한 생체 특징을 보이지 않는 경우에도 나타날 수 있다는 것입니다.

행성 패턴을 통해 생명 탐지

연구팀은 생명체의 존재를 식별하는 것 외에도 어떤 행성이 생명체를 수용할 가능성이 가장 높은지 정확히 찾아내는 방법을 개발했습니다. 공유된 특징과 우주에서의 위치를 ​​기반으로 행성을 그룹화함으로써 생물학적 활동에 의해 형성되었을 가능성이 더 높은 클러스터를 식별할 수 있었습니다.

이 방법은 완전성보다 정확성을 강조합니다. 이는 생명이 존재하는 일부 행성이 간과되더라도 오탐을 줄이도록 설계되었습니다. 이러한 절충안은 망원경 시간이 제한되어 있고 후속 관찰을 신중하게 선택해야 할 때 유용합니다.

우주생물학 연구의 새로운 방향

해리슨 B. 스미스(Harrison B. Smith)는 “생명이 어떻게 확산되고 환경과 상호작용하는지에 초점을 맞춤으로써 우리는 완벽한 정의나 단 하나의 결정적인 신호 없이도 그것을 검색할 수 있습니다.”라고 말했습니다. Lana Sinapayen은 “다른 곳의 생명체가 지구상의 생명체와 근본적으로 다르다 하더라도 행성 확산 및 변형과 같은 대규모 영향은 여전히 ​​감지 가능한 흔적을 남길 수 있습니다. 이것이 바로 이 접근 방식이 매력적인 이유입니다.”라고 덧붙였습니다.

이번 연구 결과는 많은 수의 외계 행성을 조사할 향후 조사에서 통계 기법을 사용하여 전체 행성 인구의 생명체를 탐지할 수 있음을 시사합니다. 이는 개별 신호가 약하거나 불분명하거나 쉽게 잘못 해석될 때 특히 도움이 될 수 있습니다.

미래를 내다보며

이 연구는 또한 생명체 없이 형성되는 행성의 자연적 다양성을 더 잘 이해할 필요성을 지적합니다. 보다 명확한 기준선을 가지면 생물학적 과정으로 인해 발생할 수 있는 비정상적인 패턴을 더 쉽게 인식할 수 있습니다.

현재의 연구는 시뮬레이션을 기반으로 하고 있지만 새로운 종류의 생명 탐지 방법의 토대를 마련합니다. 연구팀은 향후 연구에 은하가 어떻게 진화하는지에 대한 보다 상세한 행성 데이터와 현실적인 모델을 통합해야 한다고 지적합니다. 그럼에도 불구하고, 결과는 생명체가 화학적 성질만으로 식별되는 것이 아니라 우주 전역에 남기는 대규모 패턴으로 식별될 수 있음을 나타냅니다.

이제 인도 과학 연구소(IISc) 물리학과의 연구원들이 일본 국립 재료 과학 연구소의 협력자들과 협력하여 마침내 그래핀에서 이 포착하기 어려운 양자 유체를 확인했습니다. 이 물질은 평평한 시트에 배열된 단일 탄소 원자 층으로 구성됩니다. 그들의 연구 결과는 다음과 같이 보고되었습니다. 자연물리학양자 현상 연구를 위한 새로운 길을 열고 그래핀을 이전에 실험실 환경에서 도달할 수 없었던 효과를 탐구하기 위한 강력한 플랫폼으로 자리매김했습니다.

IISc 물리학과 교수이자 해당 연구의 교신저자 중 한 명인 Arindam Ghosh는 “발견된 지 20년이 지났음에도 단 하나의 그래핀 층에서 할 수 있는 일이 그토록 많다는 것은 놀라운 일입니다.”라고 말했습니다.

물리학의 기본 법칙을 깨뜨림

이러한 행동을 밝혀내기 위해 팀은 매우 깨끗한 그래핀 샘플을 만들고 전기와 열이 어떻게 전도되는지 주의 깊게 측정했습니다. 그들이 발견한 것은 예상치 못한 것이었다. 함께 증가하는 대신 두 속성이 반대 방향으로 이동했습니다. 전기 전도도가 높아지면 열전도도는 낮아지고, 그 반대도 마찬가지입니다.

이 결과는 금속의 열과 전기 전도가 비례해야 한다는 잘 확립된 원리인 비데만-프란츠 법칙과 직접적으로 모순됩니다. 연구진은 저온에서 이 법칙의 편차를 200배 이상 관찰했으며, 이는 물질을 통해 전하와 열이 이동하는 방식 사이의 현저한 분리를 보여주었습니다.

보편적인 양자 연결

이러한 비정상적인 분할에도 불구하고 동작은 무작위가 아닙니다. 두 가지 전도 유형 모두 물질 자체에 의존하지 않는 보편적인 상수를 따르는 것으로 보입니다. 이 상수는 전자가 가장 작은 규모에서 어떻게 움직이는지 설명하는 기본 양인 전도도의 양자와 연결되어 있습니다.

Dirac 유체와 액체와 유사한 전자

이 놀라운 효과는 그래핀이 금속과 절연체 사이의 경계에 있는 “디랙 포인트(Dirac point)”라고 알려진 특수한 조건에서 발생합니다. 연구자들은 전자의 수를 조정함으로써 이러한 정확한 상태에 도달할 수 있습니다.

이 시점에서 전자는 개별 입자처럼 행동하지 않습니다. 대신, 그들은 액체처럼 흐르면서 집단적으로 움직인다. 이 유체와 같은 움직임은 물과 비슷하지만 흐름에 대한 저항이 훨씬 낮습니다. “이 물과 같은 행동은 Dirac 지점 근처에서 발견되기 때문에 Dirac 유체라고 불립니다. 이는 CERN의 입자 가속기에서 관찰된 고에너지 아원자 입자 수프인 쿼크-글루온 플라즈마를 모방한 이국적인 물질 상태입니다.”라고 물리학과의 제1저자이자 박사 과정 학생인 Aniket Majumdar가 말했습니다. 또한 팀은 이 유체가 얼마나 쉽게 흐르는지 측정하고 점도가 극도로 낮아 지금까지 관찰된 완벽한 유체의 가장 가까운 구현 중 하나라는 사실을 발견했습니다.

극한 물리학을 향한 새로운 창

이러한 결과는 일반적으로 극한 환경과 관련된 아이디어를 탐구하기 위한 접근 가능하고 비용 효율적인 시스템으로 그래핀을 확립합니다. 과학자들은 이제 실험실 환경 내에서 블랙홀 열역학 및 얽힘 엔트로피 스케일링을 포함하여 고에너지 물리학 및 천체 물리학과 관련된 현상을 조사할 수 있습니다.

양자 기술의 미래 응용

이번 발견은 과학적 중요성 외에도 실질적인 의미를 가질 수 있습니다. 그래핀에 Dirac 유체가 존재하면 매우 민감한 양자 센서를 개발할 수 있습니다. 이러한 장치는 극도로 약한 전기 신호를 증폭하고 희미한 자기장을 감지하여 감지 및 측정에 새로운 기술의 문을 열 수 있습니다.

희귀 동위원소 빔 시설(FRIB)에서 대학원생으로 연구를 수행했으며 현재 캐나다 레지나 대학의 박사후 연구원인 Artemis Tsantiri가 주도한 새로운 연구는 획기적인 성과를 거두었습니다. 처음으로 연구자들은 희귀 동위원소 빔을 사용하여 비소-73이 어떻게 양성자를 포획하여 셀레늄-74를 형성하는지 직접 측정했습니다. 이 결과는 우주에서 가장 가벼운 p핵이 어떻게 생성되고 파괴되는지에 대한 새로운 한계를 제시합니다.

연구 결과는 실제 검토 편지 (“가장 가벼운 물질의 합성을 제한하다 𝑝 핵 ⁷⁴Se”)에 미국, 캐나다, 유럽 전역의 20개 기관에서 온 45명 이상의 과학자가 참여했습니다.

일부 요소가 미스터리로 남아 있는 이유

핵천체물리학의 주요 목표는 원소가 어디서 오는지 이해하는 것입니다. 철보다 무거운 많은 원소들은 느리고 빠른 중성자 포획 과정을 통해 형성됩니다. 이러한 반응에서 원자핵은 반복적으로 중성자를 흡수한 다음 안정적인 형태에 도달할 때까지 방사성 붕괴를 겪습니다.

그러나 이 설명은 양성자가 풍부한 동위원소의 특별한 그룹에는 적용되지 않습니다. 이러한 p핵은 중성자 포획을 통해 생성될 수 없습니다. 그 범위는 가장 가벼운 셀레늄-74부터 가장 무거운 수은-196까지 다양하며, 그 기원은 수십 년 동안 불분명하게 남아 있습니다.

초신성 폭발과 감마 과정

p핵 생성에 대한 주요 설명 중 하나는 특정 유형의 초신성 폭발에서 발생하는 감마 과정입니다. 이러한 극한 환경에서 강렬한 열은 기존 중핵에서 중성자와 기타 입자를 제거하는 감마선을 생성합니다.

이 과정이 끝나면 남은 핵에는 중성자보다 양성자가 더 많이 포함됩니다. 시간이 지남에 따라 이러한 핵 중 일부는 양성자를 중성자로 전환하여 보다 안정적인 균형을 이루고 결국 p핵을 형성합니다.

이 과정에 관련된 많은 동위원소는 수명이 짧고 실험실에서 생산하기 어렵습니다. 이 때문에 과학자들은 직접적인 측정보다는 이론적인 모델에 크게 의존해야 했습니다.

“p핵의 기원이 60년 넘게 연구 주제였음에도 불구하고 수명이 짧은 동위원소에 대한 중요한 반응의 측정은 거의 존재하지 않습니다”라고 Tsantiri는 말했습니다. “이런 종류의 실험은 이제 FRIB와 같은 시설을 통해서만 가능합니다.”

실험실에서 놀라운 반응 재현하기

이 연구에서 연구자들은 처음으로 방사성 비소-73에서 양성자 포획을 관찰함으로써 과정의 핵심 단계를 성공적으로 재현했습니다. 이를 위해 그들은 실험을 위해 특별히 비소-73 빔을 생성하고 이를 수소 가스로 채워진 챔버로 보냈습니다. 수소는 양성자의 공급원 역할을 하며 Summing Nal(SuN) 검출기의 중앙에 위치했습니다.

팀은 FRIB의 ReA 가속기를 사용하여 비소-73을 생산했는데, 이는 주 선형 가속기에 의존하지 않고 독립형 구성으로 작동했습니다. Katharina Domnanich가 이끄는 방사화학 그룹은 실험에 사용하기에 적합한 형태로 물질을 준비했습니다. 그런 다음 동위원소는 배치 모드 이온 소스에 배치되어 이온화되고 높은 에너지로 가속되어 표적에 전달되었습니다. 이 설정은 희귀 동위원소를 생산하고 연구하기 위한 ReA의 유연성을 입증했습니다.

셀레늄-74가 어떻게 형성되고 파괴되는지 추적

반응 중에 비소-73은 양성자를 흡수하고 들뜬 상태에서 셀레늄-74가 됩니다. 그런 다음 감마선을 방출하여 안정된 상태에 도달합니다. 연구자들은 역반응이 별 내부의 감마 과정에서 중요한 역할을 하기 때문에 이에 초점을 맞췄습니다. 정반응을 측정함으로써 그들은 역과정이 얼마나 빨리 일어나는지 결정할 수 있었습니다.

태양계에 얼마나 많은 셀레늄-74가 존재하는지 이해하려면 과학자들은 셀레늄-74의 생성과 파괴를 모두 고려해야 합니다. 남아 있는 가장 큰 불확실성 중 하나는 별이 폭발하는 동안 셀레늄-74가 감마선에 의해 얼마나 자주 분해되는지입니다.

모델은 개선되었지만 새로운 질문은 여전히 ​​남아 있습니다.

연구자들이 측정 결과를 천체 물리학 모델에 통합했을 때 예상되는 셀레늄-74 풍부도의 불확실성이 절반으로 줄었습니다. 이는 이 동위원소가 어떻게 생성되는지 이해하는 데 있어 상당한 개선을 의미합니다.

그럼에도 불구하고 업데이트된 모델은 여전히 ​​자연에서 관찰되는 것과 완전히 일치하지 않습니다. 이러한 격차는 과학자들이 초신성 폭발 내부 조건에 대한 가정을 개선해야 할 수도 있음을 시사합니다.

“이러한 결과는 우리가 우주에서 가장 희귀한 동위원소의 기원을 이해하는 데 한 걸음 더 가까워지게 해줍니다.”라고 FRIB의 물리학 교수이자 미시간 주립 대학교 물리학 및 천문학과의 Artemis Spyrou는 말했습니다. Tsantiri의 연구 고문이자 실험의 최초 설계자는 말했습니다. “Tsantiri의 작업은 해당 분야를 발전시키는 데 필요한 여러 학문 분야의 협력과 FRIB의 초기 경력 연구원을 위한 전문 개발 기회의 좋은 예입니다.”

협업 및 지원

이 연구는 미국 에너지부 과학부 핵 물리학부에서 부분적으로 지원을 받았습니다. 미국 국립과학재단; 미국 국가핵안보국; 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회.

본 연구에 사용된 동위원소는 동위원소 연구개발 및 생산국(Office of Isotope R&D and Production)이 관리하는 미국 에너지부 동위원소 프로그램에서 공급한 것입니다.

양자 컴퓨터는 기존 기계의 범위를 훨씬 넘어서는 문제를 해결함으로써 신약 발견 및 암호화와 같은 분야를 변화시킬 것으로 예상됩니다. 그러나 결맞음(decoherence)이라는 주요 문제로 인해 진행이 제한되었습니다. 이는 양자 비트 또는 큐비트가 주변 환경과의 상호 작용으로 인해 정보를 잃을 때 발생합니다. 소량의 전자기 잡음이라도 계산에 필요한 깨지기 쉬운 양자 상태를 방해할 수 있습니다.

“양자 시스템은 매우 강력하지만 매우 취약합니다. 이를 유용하게 만드는 핵심은 주변 환경과의 상호 작용을 제어하는 ​​방법을 배우는 것입니다.”라고 Chalmers의 응용 양자 기술 분야 박사후 연구원인 Lei Du는 말합니다.

Lei Du는 이 새로운 유형의 양자 시스템을 개괄적으로 설명하는 연구의 주요 저자입니다. 디자인은 몇 가지 중요한 기능을 결합한 거대한 슈퍼원자를 중심으로 구축되었습니다. 이러한 시스템은 결맞음 현상을 줄이고 안정성을 유지하며 단일 단위로 함께 기능하는 여러 개의 상호 연결된 “원자”로 구성됩니다.

거대 슈퍼원자란 무엇인가

거대 슈퍼원자는 양자물리학에서 이전에 분리되었던 두 가지 개념, 즉 거대 원자와 슈퍼원자를 결합한 것입니다. 각각은 자체적으로 연구되었지만 단일 시스템으로 병합된 것은 이번이 처음입니다. 이러한 구조는 원자처럼 행동하지만 자연에서는 발견되지 않습니다. 대신 과학자들이 설계했습니다(아래 사실 상자 참조).

거대 원자와 그들의 “양자 에코”

거대 원자에 대한 아이디어는 10여 년 전 찰머스 연구진에 의해 처음 소개되었으며 현재 해당 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 거대 원자는 일반적으로 큐비트(양자 정보의 가장 작은 단위)로 설계됩니다. 일반 원자와는 달리 물리적으로 분리된 여러 지점에서 빛이나 음파에 연결됩니다. 이를 통해 동시에 여러 장소에서 환경과 상호 작용할 수 있어 양자 정보를 보존하는 데 도움이 됩니다.

“하나의 연결 지점을 떠나는 파동은 환경을 통해 이동하고 다른 지점의 원자에 다시 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 말하기를 마치기 전에 자신의 목소리의 메아리를 듣는 것과 비슷합니다. 이러한 자기 상호 작용은 매우 유익한 양자 효과로 이어지고, 결맞음 현상을 감소시키며, 시스템에 과거 상호 작용에 대한 기억의 형태를 제공합니다”라고 Chalmers의 응용 양자 물리학 부교수이자 이번 연구의 공동 저자인 Anton Frisk Kockum은 설명합니다.

거리에 따라 얽힘 확장

거대 원자는 양자 거동에 대한 이해를 향상시켰지만 얽힘에 있어서는 한계가 있었습니다. 얽힘을 통해 여러 큐비트가 단일 양자 상태를 공유하고 하나의 조정 시스템으로 작동할 수 있으며, 이는 강력한 양자 컴퓨터에 필수적입니다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 거대 원자와 슈퍼원자 개념을 결합했다. 슈퍼원자는 동일한 양자 상태를 공유하고 집합적으로 하나의 더 큰 원자처럼 행동하는 여러 개의 자연 원자로 구성됩니다.

이러한 조합을 통해 양자 통신, 네트워크 및 고감도 측정 시스템에 필요한 복잡한 양자 상태를 보다 쉽게 ​​생성할 수 있을 것으로 기대됩니다.

“거대 슈퍼원자는 빛과 물질 사이의 비국소적인 상호 작용을 나타내는 여러 개의 거대한 원자가 단일 개체로 함께 작동하는 것으로 상상할 수 있습니다. 이를 통해 점점 더 복잡해지는 주변 회로가 필요 없이 여러 큐비트의 양자 정보를 하나의 장치 내에 저장하고 제어할 수 있습니다.”라고 Lei Du는 설명합니다.

이번 연구의 공동 저자이자 Chalmers 대학 응용양자물리학 교수인 Janine Splettstoesser는 “거대한 초원자는 완전히 새로운 능력의 문을 열어주어 강력하고 새로운 도구 상자를 제공합니다. 이를 통해 이전에는 극도로 어려웠거나 심지어 불가능했던 방식으로 양자 정보를 제어하고 얽힘을 생성할 수 있게 되었습니다”라고 말했습니다.

확장 가능하고 실용적인 양자 시스템을 향하여

이 작업은 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 양자 시스템을 구축하기 위한 새로운 가능성을 창출합니다. 연구자들은 이론에서 벗어나 실제로 이러한 시스템을 구축하는 방향으로 나아갈 계획입니다. 이들 설계는 다른 양자 기술과 통합되어 다양한 유형의 양자 플랫폼을 연결하기 위한 구성 요소 역할을 할 수도 있습니다.

Anton Frisk Kockum은 “각각 고유한 장점이 있기 때문에 서로 다른 양자 시스템이 함께 작동하는 하이브리드 접근 방식에 현재 큰 관심이 있습니다”라고 말했습니다. “우리의 연구에 따르면 스마트 설계는 점점 복잡해지는 하드웨어의 필요성을 줄일 수 있으며 거대 슈퍼원자는 실질적으로 적용 가능한 양자 기술에 한 걸음 더 다가갈 수 있다는 것을 보여줍니다.”

양자 정보 흐름 제어

추가 정보: 양자 정보를 보호, 제어 및 배포하는 방법

이번 연구는 거대 슈퍼원자가 빛과 상호작용하는 방식이 내부 양자 상태에 달려 있음을 보여줍니다. 이 발견을 통해 연구자들은 양자 정보가 시스템을 통해 이동하는 방식을 더 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그들은 유용한 결과를 얻기 위해 이러한 구조를 연결하는 두 가지 다른 방법을 설명합니다.

한 설정에서는 여러 개의 거대 슈퍼원자가 특정 배열로 밀접하게 연결되어 있습니다. 이를 통해 서로 결어어긋남 없이 양자 상태를 전달할 수 있으며, 이는 정보가 손실되지 않음을 의미합니다.

또 다른 설정에서는 원자가 더 멀리 떨어져 있지만 파동이 동기화된 상태를 유지하도록 세심하게 조정된 방식으로 연결됩니다. 이를 통해 양자 신호의 방향을 지정하고 장거리에 걸쳐 얽힘을 분산시킬 수 있습니다.

거대 원자와 초원자 이해

슈퍼원자와 거대 원자는 자연적으로 발생하는 시스템이 아닌 원자처럼 행동하도록 설계된 시스템입니다.

슈퍼원자는 단일 양자 상태를 공유하고 하나의 실체로서 빛에 반응하는 여러 개의 자연 원자로 구성된 양자 시스템입니다.

반면에 거대 원자는 공간의 여러 개별 지점에서 빛이나 음파에 연결됩니다. 그것은 상호 작용하는 빛의 파장보다 크기 때문에 “거성”이라고 불립니다.

거대 원자는 에너지 수준을 정의하고 양자 역학의 규칙을 따르지만 최대 밀리미터의 크기에 도달하여 육안으로 볼 수 있습니다. 전자기파나 음향파를 통해 동시에 여러 위치에서 주변 환경과 상호 작용할 수 있습니다. 이것을 묘사하는 한 가지 방법은 여러 먼 지점에서 파동에 연결된 단일 원자로 간주됩니다. 이러한 특이한 설정으로 인해 원자는 생성되는 파동의 영향을 받을 수 있습니다.

이번 발견의 중심은 은하 J1007+3540이다. 과학자들은 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 거의 1억년 동안 활동하지 않았다가 갑자기 강력한 제트를 다시 시작하는 것을 관찰했다.

익스트림 갤럭시 클러스터 환경과 제트기 충돌

라디오 관측에 따르면 은하계는 격동적인 투쟁에 휘말려 있습니다. 블랙홀에서 새로 활성화된 제트는 바깥쪽으로 밀려나고 있지만, 이를 둘러싸고 있는 거대한 은하단의 강렬한 압력에 의해 왜곡되고 압축됩니다.

연구 결과는 왕립천문학회 월간 공지 매우 민감한 무선 장비의 관찰을 기반으로 합니다. 여기에는 네덜란드의 저주파 배열(LOFAR)과 인도의 업그레이드된 거대 미터파 전파 망원경(uGMRT)이 포함됩니다.

반복되는 블랙홀 폭발의 증거

대부분의 은하에는 초거대 블랙홀이 포함되어 있지만 극히 일부만이 전파를 방출하는 거대한 자화 플라즈마 제트를 생성합니다. J1007+3540은 여러 주기의 활동을 명확하게 보여주어 중앙 블랙홀이 장기간에 걸쳐 켜졌다 꺼졌다는 것을 보여주기 때문에 눈에 띕니다.

이 이미지는 최근 활동을 알리는 밝고 조밀한 내부 제트를 보여줍니다. 그 주변에는 초기 폭발로 인해 남겨진 더 오래되고 희미해지는 플라즈마의 더 넓은 지역이 있습니다. 이 오래된 물질은 주변 성단의 가혹한 조건으로 인해 늘어나거나 압축된 것처럼 보입니다.

인도 미드나포어 시티 칼리지(Midnapore City College)의 쇼바 쿠마리(Shobha Kumari) 수석 연구원은 “이것은 마치 오랜 세월이 고요했다가 다시 폭발하는 우주 화산을 보는 것과 같습니다. 하지만 이 화산은 우주를 가로질러 거의 백만 광년에 달하는 구조를 조각할 수 있을 만큼 충분히 크다”고 말했습니다.

“오래되고 지친 돌출부 내부에 젊은 제트기가 극적으로 겹쳐지는 것은 간헐적인 AGN의 특징입니다. 은하계의 중심 엔진은 우주 시간 규모에 걸쳐 계속 켜지고 꺼집니다.”

과학자들은 드문 에피소드 AGN을 식별합니다

이 연구는 Kumari가 Midnapore City College의 Sabyasachi Pal 박사, 인도 Manipal 자연과학 센터의 Surajit Paul 박사, 폴란드 Jagiellonian University의 Marek Jamrozy 박사와 함께 수행했습니다.

Pal 박사는 “J1007+3540은 주위의 뜨거운 가스가 제트를 휘게 하고, 압축하고, 왜곡시키는 제트-클러스터 상호작용을 갖는 에피소드형 AGN의 가장 명확하고 가장 극적인 예 중 하나입니다.”라고 설명했습니다.

극도의 압력이 블랙홀 제트를 형성합니다

J1007+3540은 극도로 뜨거운 가스로 가득 찬 거대한 클러스터에 내장되어 있습니다. 이는 대부분의 전파 은하에서 일반적으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 외부 압력을 생성합니다. 제트가 바깥쪽으로 확장됨에 따라 밀도가 높은 환경과 상호 작용하면서 구부러지고 비틀어지게 됩니다.

LOFAR의 이미지는 은하의 북쪽 엽이 심하게 압축되고 뒤틀려 있음을 보여줍니다. 데이터는 주변 가스에 의해 옆으로 밀려나는 것처럼 보이는 곡선형 플라즈마 흐름을 보여줍니다.

한편, uGMRT의 관찰에 따르면 이 압축된 영역은 매우 가파른 무선 스펙트럼을 가지고 있습니다. 이는 입자가 매우 오래되었고 에너지를 많이 잃었다는 것을 의미하며, 이는 성단의 극한 조건의 영향을 더욱 강조합니다.

주변 환경에 의해 형성된 은하

또 다른 눈에 띄는 특징은 남서쪽으로 뻗어 있는 길고 희미한 방출 꼬리입니다. 이 구조는 자화된 플라즈마가 클러스터를 통해 끌려가고 있으며 수백만 년 동안 지속되는 확산 흔적을 남기고 있음을 보여줍니다.

연구원들에 따르면, 이는 은하가 강력한 제트를 생성할 뿐만 아니라 주변 환경에 의해 재형성되고 있음을 시사합니다.

블랙홀 주기와 은하 진화에 대한 통찰

J1007+3540과 같은 시스템은 블랙홀이 시간이 지남에 따라 어떻게 행동하는지에 대한 귀중한 단서를 제공합니다. 이는 과학자들이 블랙홀이 활성 상태와 조용한 상태 사이를 얼마나 자주 전환하는지, 제트가 노화됨에 따라 어떻게 변하는지, 주변 환경이 전체 은하계의 구조를 어떻게 변화시킬 수 있는지를 이해하는 데 도움이 됩니다.

새로운 활동, 엄청난 규모, 강력한 환경 영향의 조합으로 인해 이 은하는 은하계가 어떻게 진화하는지 보여주는 중요한 예가 됩니다. 원활하고 꾸준한 방식으로 성장하기보다는 이 과정에는 강력한 블랙홀 폭발과 주변 우주 환경의 압력 사이의 지속적인 긴장이 수반되는 것으로 보입니다.

이 시스템을 연구함으로써 천문학자들은 다음에 대한 통찰력을 얻습니다.

• 블랙홀이 활성 단계와 조용한 단계 사이를 전환하는 빈도
• 얼마나 오래된 무선 플라즈마가 뜨거운 클러스터 가스와 상호 작용합니까?
• 반복되는 폭발이 시간이 지남에 따라 은하를 어떻게 변화시키는가

다음은 무엇입니까

연구팀은 고해상도 장비를 사용해 더욱 세밀한 관찰을 수행할 계획이다. 그들의 목표는 J1007+3540의 중앙 지역을 더 자세히 조사하고 새로 다시 시작된 제트기가 이 복잡한 환경을 통해 어떻게 이동하는지 추적하는 것입니다.

J1007+3540과 같은 은하를 이해하는 것은 블랙홀이 주변 환경에 어떻게 영향을 미치는지, 우주 시간에 걸쳐 은하 자체가 어떻게 성장하고 폐쇄되고 다시 활성화되는지를 밝히는 데 중요합니다.

과학자들은 우주의 팽창률을 결정하기 위해 오랫동안 두 가지 주요 전략에 의존해 왔습니다. 한 가지 접근 방식은 가까운 공간에 초점을 맞춰 별과 은하까지의 거리를 측정하여 모든 것이 얼마나 빨리 멀어지는지 계산합니다. 다른 하나는 우주론의 표준 모델을 기반으로 오늘날의 팽창 속도가 얼마인지 추정하기 위해 우주 마이크로파 배경을 사용하여 훨씬 더 먼 시간을 거슬러 올라갑니다.

이론적으로 두 방법 모두 동일한 답을 생성해야 합니다. 실제로는 그렇지 않습니다. 지역 우주에 대한 관측은 메가파섹당 초당 약 73km의 더 빠른 팽창 속도를 일관되게 나타냅니다. 한편, 초기 우주를 기반으로 한 계산은 대략 67 또는 68의 더 느린 속도를 제안합니다. 이 값 사이의 차이는 절대적 측면에서 작지만 통계적 우연으로 무시하기에는 너무 큽니다. 이러한 불일치는 허블 장력으로 알려져 있으며, 이는 독립적인 연구 전반에 걸쳐 반복적으로 나타났습니다.

통합 접근 방식으로 새로운 정밀도 제공

정확성을 높이기 위해 연구자들은 수십 년간의 관찰을 하나의 조정된 프레임워크로 결합했습니다. H0 Distance Network(H0DN) 협업이 주도한 이러한 노력을 통해 지금까지 지역 확장률에 대한 가장 정확한 직접 측정이 이루어졌습니다. 그들의 연구 결과는 4월 10일에 발표되었습니다. 천문학 및 천체 물리학허블 상수를 메가파섹당 초당 73.50 ± 0.81km로 설정하면 1%보다 약간 더 나은 정밀도를 얻을 수 있습니다.

“Local Distance Network: ~1% 정밀도의 허블 상수 측정에 대한 커뮤니티 합의 보고서”라는 연구는 국제 우주 과학 연구소(ISSI) 획기적인 워크샵인 “H0od의 정의는 무엇입니까?”에서 시작된 대규모 공동 노력에서 비롯되었습니다. 2025년 3월 스위스 베른 ISSI에서 개최되었습니다.

“이것은 단지 허블 상수의 새로운 값이 아닙니다. 수십 년간의 독립적인 거리 측정을 투명하고 접근 가능하게 통합하는 커뮤니티 구축 프레임워크입니다.”

지상 및 우주 관측소의 데이터

NSF NOIRLab은 과학적 전문성과 주요 관찰에 기여했습니다. NSF NOIRLab의 연구 및 과학 서비스 이사인 John Blakeslee도 이번 협력에 참여했습니다. 분석에는 NSF NOIRLab의 프로그램인 칠레의 NSF Cerro Tololo Inter-American Observatory(CTIO)와 애리조나의 NSF Kitt Peak National Observatory(KPNO)의 데이터가 포함됩니다. 이러한 관찰 내용은 지상 및 우주에 있는 다른 시설의 데이터와 결합되어 전반적인 결과를 강화했습니다.

단일 기술에 의존하는 대신 팀은 “거리 네트워크”라고 부르는 것을 구축했습니다. 이 시스템은 우주 거리를 측정하는 데 사용되는 여러 가지 중첩 방법을 연결합니다. 여기에는 예측 가능한 방식으로 밝아지고 어두워지는 세페이드 변광성, 밝기가 알려진 적색 거성, Ia형 초신성 및 특정 은하 유형이 포함됩니다.

이러한 계층화된 접근 방식을 통해 연구자는 여러 방법으로 결과를 교차 확인할 수 있습니다. 한 가지 방법에 결함이 있는 경우 분석에서 해당 방법을 제거하면 최종 답변이 변경됩니다. 그런 일은 일어나지 않았습니다. 개별 기법을 제외하더라도 전체적인 결과는 큰 변화 없이 유지됐다. 여러 방법의 일관성은 측정된 팽창률에 대한 신뢰도를 높여줍니다.

“이 연구는 지역 거리 측정에서 간과된 단일 오류에 의존하는 허블 장력에 대한 설명을 효과적으로 배제합니다”라고 저자는 결론지었습니다. “증가하는 증거가 제시하는 것처럼 긴장이 실제라면 표준 우주론 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 가리킬 수 있습니다.”

허블 장력이 의미하는 것

그 의미는 측정 기술 그 이상입니다. 초기 우주에서 파생된 느린 팽창 속도는 빅뱅 이후 우주가 어떻게 진화했는지 설명하는 우주론의 표준 모델에 따라 달라집니다. 해당 모델에 암흑 에너지, 알려지지 않은 입자 또는 중력 변화에 대한 세부 정보 등이 누락된 경우 오늘의 팽창에 대한 예측이 틀릴 수 있습니다.

이 경우 허블 장력은 단순한 측정 문제가 아닌 더 깊은 문제를 나타낼 수 있습니다. 이는 과학자들이 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 이해를 수정해야 함을 나타낼 수 있습니다.

미래의 관찰을 통해 미리 살펴보기

새로 개발된 거리 네트워크는 또한 향후 연구를 위한 프레임워크를 제공합니다. 방법과 데이터를 공개적으로 제공함으로써 팀은 새로운 관찰이 가능해짐에 따라 개선될 수 있는 시스템을 만들었습니다. 다가오는 관측소에서는 훨씬 더 정확한 측정값을 제공할 것으로 예상되며, 이는 불일치가 결국 해결될 것인지 아니면 계속해서 새로운 물리학을 지향할 것인지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

추가 정보

이 연구는 “The Local Distance Network: ∼1% 정밀도의 허블 상수 측정에 관한 커뮤니티 합의 보고서”라는 제목의 논문으로 발표되었습니다. 천문학 및 천체 물리학.

결과는 H0DN Collaboration에서 제공됩니다.

지상 기반 광적외선 천문학을 위한 미국 국립 과학 재단 센터인 NSF NOIRLab은 국제 쌍둥이 천문대(NSF, NRC-캐나다, ANID-칠레, MCTIC-브라질, MINCyT-아르헨티나 및 KASI-대한민국 시설), NSF Kitt Peak National Observatory(KPNO), NSF Cerro Tololo Inter-American Observatory(CTIO), 과학 및 데이터 센터(CSDC) 및 NSF-DOE Vera C. Rubin 천문대(DOE의 SLAC 국립 가속기 연구소와 협력). NSF와의 협력 계약에 따라 AURA(Association of Universities for Research in Astronomy)에서 관리하며 애리조나 주 투산에 본부를 두고 있습니다.

과학계는 애리조나의 I’oligam Du’ag(Kitt Peak), 하와이의 마우나케아, 칠레의 Cerro Tololo 및 Cerro Pachón에 대한 천문학 연구를 수행할 수 있는 기회를 갖게 된 것을 영광으로 생각합니다. 우리는 Tohono O’odham Nation에 대한 I’oligam Du’ag와 Kanaka Maoli(하와이 원주민) 공동체에 대한 Maunakea의 매우 중요한 문화적 역할과 존경심을 인식하고 인정합니다.

생명체가 그러한 조건을 견딜 수 있는지 더 잘 이해하기 위해 과학자들은 지구상의 단순한 유기체로 눈을 돌리고 있습니다.

과학자들이 생존을 이해하기 위해 효모를 연구하는 이유

최근 연구에서 Purusharth I. Rajyaguru와 동료들은 연구에 일반적으로 사용되는 효모의 일종인 Saccharomyces cerevisiae를 사용하여 생명체가 화성과 같은 스트레스에 어떻게 반응할 수 있는지 탐구했습니다. 이 유기체는 인간을 포함한 보다 복잡한 생명체와 많은 기본 생물학적 특징을 공유하기 때문에 널리 연구됩니다. 또한 이전 실험에서 우주로 보내졌기 때문에 지구 너머의 생존을 연구하는 데 유용한 모델이 되었습니다.

극한 환경이나 화학적 노출로 인해 세포가 스트레스를 받으면 보호 반응이 활성화됩니다. 한 가지 중요한 반응은 리보핵단백질(RNP) 응축물의 형성과 관련이 있습니다. 이는 유전 물질을 보호하고 세포가 스트레스에 반응하는 방식을 조절하는 데 도움이 되는 RNA와 단백질로 구성된 임시 구조입니다. 상태가 개선되면 이러한 구조가 분리되고 정상적인 세포 활동이 재개됩니다.

RNP 응축물의 두 가지 주요 유형은 응력 과립과 P-체입니다. 둘 다 단백질 생성 지침을 전달하는 RNA를 관리하는 역할을 합니다.

화성 충격파 및 독성 토양 시뮬레이션

실험실에서 화성의 조건을 재현하기 위해 연구진은 인도 아메다바드에 있는 물리 연구소에 있는 천문화학용 고강도 충격관(HISTA)이라는 특수 장치를 사용했습니다. 이 설정을 통해 화성에 운석이 충돌하여 생성되는 것과 유사한 충격파를 생성할 수 있었습니다.

연구팀은 효모 세포를 음속의 5.6배에 달하는 충격파에 노출시켰습니다. 그들은 또한 화성 토양에서 측정된 농도와 비슷한 농도인 100mM 과염소산염 나트륨염(NaClO4)을 사용하여 과염소산염의 영향을 테스트했습니다.

극심한 스트레스 하에서 효모의 생존

이러한 가혹한 조건에도 불구하고 효모 세포는 살아남았습니다. 성장은 둔화되었지만 충격파, 과염소산염 및 두 가지 스트레스 요인의 조합에 노출된 후에도 살아남았습니다.

이러한 도전에 대응하여 효모는 보호 시스템을 활성화했습니다. 충격파는 응력 과립과 P-체 모두의 형성을 촉발한 반면, 과염소산염은 P-체만 형성하게 했습니다. 이는 다양한 유형의 스트레스가 약간 다른 세포 반응을 활성화할 수 있음을 시사합니다.

중요한 것은 이러한 RNP 응축물을 형성할 수 없도록 유전적으로 변형된 효모 세포가 동일한 조건에서 생존하기 위해 고군분투했다는 것입니다. 이는 이러한 보호 구조가 극한 환경을 견디는 데 얼마나 중요한지 강조합니다.

화성과 같은 조건에서 세포 내부에서 일어나는 일

더 깊이 파고들기 위해, 연구자들은 세포에 의해 생성된 RNA 분자의 전체 세트인 효모의 전사체를 조사했습니다. 이 분석을 통해 특정 RNA 전사체가 화성과 유사한 조건에 의해 파괴되었다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 이러한 스트레스가 세포 기능에 얼마나 깊은 영향을 미치는지 보여줍니다.

그럼에도 불구하고 RNP 응축물을 형성하는 능력은 주요 과정을 안정화하고 생존율을 향상시키는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.

이것이 지구 너머의 생명체에게 의미하는 것

이러한 발견은 단순한 생명체가 이전에 생각했던 것보다 더 탄력적일 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 모델 유기체로서 효모의 중요성을 강조하고 RNP 응축물이 중요한 생존 메커니즘임을 지적합니다.

과학자들은 화성과 같은 극한 조건에 세포가 어떻게 반응하는지 이해함으로써 지구 너머에 생명체가 존재할 가능성을 더 잘 평가할 수 있습니다.

Christopher Kyba는 “전 세계적으로 총 16%의 증가가 있었지만 이것이 모든 곳에서 조명이 증가했다는 것을 의미하지는 않습니다.”라고 설명했습니다. “조명이 증가한 지역에서는 전 세계 배출량이 34% 증가한 것으로 나타났습니다. 이는 다른 지역의 배출량이 18% 감소하여 상쇄되었습니다.”

이러한 발견은 야간 조명의 변화가 이전에 이해된 것보다 더 역동적이고 국지적이라는 것을 보여줍니다. 급속한 도시 성장으로 인해 연구 기간 동안 중국과 인도와 같은 국가가 훨씬 더 밝아졌습니다. 이와 대조적으로, 일부 산업화된 국가에서는 빛 방출 감소가 나타났는데, 이는 종종 빛 공해를 줄이기 위한 LED 기술 및 정책의 채택과 관련이 있습니다.

지역적 변화는 정책과 갈등을 반영한다

모든 변화가 점진적인 것은 아닙니다. 우크라이나는 러시아 침공 이후 야간 조명이 급격히 감소했습니다. 프랑스 역시 많은 도시에서 에너지를 절약하고 빛 공해를 제한하기 위해 자정 이후 가로등을 끄면서 야간 밝기가 33% 감소하는 등 크게 감소했습니다.

“독일에서는 지역적 변화에도 불구하고 빛 방출이 전반적으로 거의 일정하게 유지되었습니다”라고 Kyba는 보고합니다. “밝은 독일 지역에서는 빛 방출이 8.9% 증가한 반면, 어두워지는 지역에서는 9.2% 감소했습니다.”

유럽 ​​전체에서 위성 측정에 따르면 야간 조명 방출이 4% 감소한 것으로 나타났습니다. 그러나 위성은 인간의 눈과 다르게 빛을 감지하기 때문에 이러한 감소는 사람들이 지상에서 인지하는 것과 완전히 일치하지 않을 수 있습니다.

고해상도 데이터를 통해 더 빠른 변화 확인

이 연구의 주요 발전은 전체 해상도 야간 데이터를 사용하는 것입니다. 이전 분석은 월별 또는 연간 평균에 의존했기 때문에 단기적이거나 국지적인 변화를 파악하기가 더 어려웠습니다.

Kyba는 “지금까지 전체 해상도 야간 데이터를 사용하여 글로벌 분석을 수행한 적이 없습니다.”라고 강조합니다.

연구팀은 위성이 지구를 바라보는 각도를 설명하는 새로운 알고리즘도 적용했다. 예를 들어 주거 지역은 각도에서 보면 더 밝게 보이는 경향이 있는 반면, 밀집된 도심은 바로 머리 위에서 보면 더 밝게 보이는 경우가 많습니다. 이러한 차이점을 통합하면 빛 방출이 어떻게 변화하는지 더 정확하게 파악할 수 있습니다.

위성이 밤에 지구를 추적하는 방법

이 연구는 NOAA와 NASA가 운영하는 Suomi NPP, NOAA-20 및 NOAA-21 위성이 운반하는 VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) 주야간 대역(DNB)의 데이터를 기반으로 합니다.

이 위성은 자정 이후, 보통 현지 시간으로 오전 1시에서 4시 사이에 이미지를 수집하고 매일 밤 북위 70°에서 남위 60° 사이에서 거의 행성 전체를 스캔합니다. 이미지의 각 픽셀은 약 0.5제곱킬로미터를 나타냅니다.

정확성을 보장하기 위해 연구자들은 인공 광원에만 집중했습니다. 위성이 감지할 수 있는 산불, 오로라 등 자연현상은 분석에서 제외했다.

차세대 유럽 위성 추진

야간 조명이 어떻게 변화하는지 이해하는 것은 실질적인 중요성을 갖습니다. 크리스토퍼 키바(Christopher Kyba)는 “인공 조명은 밤에 전기를 많이 소비하며 빛 공해는 생태계에 해를 끼칩니다.”라고 말합니다. “따라서 이 두 가지가 어떻게 변화하는지 이해하는 것이 중요합니다.”

Kyba는 유럽 우주국(ESA)의 “Earth Explorer 13” 임무의 일환으로 야간 조명을 모니터링하도록 특별히 설계된 새로운 위성을 개발하기 위한 노력을 주도하고 있습니다. 제안된 이 시스템은 훨씬 더 희미한 광원을 감지하고 훨씬 더 높은 해상도를 제공하여 글로벌 조명 추세에 대한 불확실성을 줄입니다.

“미국과 중국은 각각 야간 조명을 관찰하는 여러 위성을 보유하고 있지만 현재 이러한 목적으로 설계된 유럽 위성은 없습니다.”라고 Kyba는 말합니다.

연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈고급 컴퓨팅 환경에서 더 작고 에너지 효율적인 시스템의 가능성을 제시합니다.

현대 전자제품을 위한 DC-DC 컨버터에 대한 재고

새로운 설계의 중심에는 DC-DC 강압 컨버터로 알려진 널리 사용되는 부품의 향상된 버전이 있습니다. 이러한 변환기는 거의 모든 전자 장치에서 발견되며 전원과 민감한 회로 사이의 중요한 연결 역할을 합니다. 이들의 임무는 높은 유입 전압을 받아 안전한 작동에 필요한 정확한 수준으로 낮추는 것입니다.

데이터 센터에서 전기는 종종 48V로 분배되는 반면, GPU 프로세서는 일반적으로 훨씬 더 낮은 전압(보통 1~5V)을 필요로 합니다. 컴퓨팅 시스템이 더욱 강력해지고 컴팩트해짐에 따라 이러한 큰 전압 강하를 효율적으로 관리하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

기존 전력변환 기술의 한계

기존 강압 컨버터는 입력 전압과 출력 전압 간의 큰 차이를 처리할 때 종종 어려움을 겪습니다. 그 격차가 커지면 효율이 떨어지고 충분한 전류를 공급하기가 더 어려워집니다. 대부분의 기존 설계는 인덕터와 같은 자기 부품에 의존합니다. 이러한 구성 요소는 수년에 걸쳐 개선되었지만 실질적인 한계에 접근하고 있으며 더 이상 개선하기가 점점 더 어려워지고 있습니다.

UC San Diego Jacobs School of Engineering의 전기 및 컴퓨터 공학과 교수이자 연구 선임 저자인 Patrick Mercier는 “우리는 유도 변환기를 설계하는 데 너무 능숙해 미래의 요구 사항을 충족하기 위해 이를 개선할 여지가 별로 남아 있지 않습니다.”라고 말했습니다.

대안으로 압전 공진기 탐색

이러한 한계를 뛰어넘기 위해 Mercier와 전기 및 컴퓨터 공학 박사인 제1저자 고재영을 포함한 그의 팀은 UC San Diego의 한 학생은 압전 공진기를 사용하는 다른 접근 방식을 조사했습니다. 이러한 소형 장치는 자기장이 아닌 기계적 진동을 통해 에너지를 저장하고 전달합니다.

압전 부품을 기반으로 한 변환기는 여러 가지 장점을 제공할 수 있습니다. 그들은 더 작고, 더 에너지 밀도가 높으며, 더 효율적이며, 대규모로 제조하기가 더 쉬울 가능성이 있습니다. Mercier는 “그들은 성장할 여지가 많고 이전의 어떤 제품보다 더 나은 성능을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다”라고 말했습니다.

그러나 이전 버전의 압전 변환기는 큰 전압 차이를 처리할 때 효율성을 유지하고 충분한 전력을 전달하는 데 어려움을 겪었습니다.

하이브리드 설계로 고효율 및 출력 달성

이러한 문제를 극복하기 위해 연구진은 압전 공진기와 세심하게 설계된 구성으로 배열된 소형 상용 커패시터를 결합한 하이브리드 변환기를 만들었습니다. 이 설정을 통해 시스템은 더 큰 전압 변환을 보다 효과적으로 처리할 수 있습니다.

팀은 이 디자인을 프로토타입 칩에 통합하고 성능을 테스트했습니다. 이 장치는 96.2%의 최고 효율로 48V를 데이터 센터에서 일반적으로 요구되는 수준인 4.8V로 성공적으로 변환했습니다. 또한 이전 압전 기반 설계보다 약 4배 더 많은 출력 전류를 제공했습니다.

이 하이브리드 접근 방식은 여러 가지 이점을 제공합니다. 이는 시스템을 통해 에너지가 이동하는 여러 경로를 생성하고 낭비되는 전력을 줄이며 공진기에 대한 부담을 줄입니다. 이러한 개선 사항은 칩 크기를 약간만 늘리는 동시에 효율성과 전력 공급을 모두 향상시킵니다.

실제 사용을 위한 과제와 다음 단계

이 기술은 강력한 가능성을 보여주지만 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 연구진은 이를 현재 전력 변환 시스템의 제약을 극복하기 위한 중요한 단계로 보고 있습니다. 향후 노력은 재료 개선, 회로 설계 개선, 더 나은 패키징 방법 개발에 중점을 둘 것입니다.

한 가지 과제는 압전 공진기가 물리적으로 진동한다는 점입니다. 즉, 표준 납땜 기술을 사용하여 회로 기판에 부착할 수 없습니다. Mercier는 이를 전자 시스템에 통합하려면 새로운 통합 전략이 필요하다고 설명했습니다.

“압전 기반 변환기는 아직 기존 전력 변환기 기술을 대체할 준비가 되어 있지 않습니다.”라고 Mercier는 덧붙였습니다. “그러나 그들은 개선을 위한 궤적을 제공합니다. 우리는 이 기술을 데이터 센터 애플리케이션에 사용할 수 있도록 재료, 회로 및 패키징 등 여러 영역을 지속적으로 개선해야 합니다.”

이 프로젝트는 국립과학재단(수상 번호 2052809)이 자금을 지원하는 산학협력연구센터(IUCRC)인 전력관리통합센터(PMIC)의 일부 지원을 받았습니다.