루테튬 원자시계의 기록, 핵심은 ‘빠른 진동’보다 오차 관리

원자시계의 성능은 원자가 얼마나 빠르게 진동하느냐만으로 결정되지 않는다. 그 진동을 기준으로 삼을 때 주변 환경이 주파수를 얼마나 바꾸는지 파악하고 보정하는 일이 중요하다. 싱가포르 양자기술센터(CQT)의 머리 배럿 연구팀은 이 과정을 거쳐 루테튬 광원자시계의 분수 주파수 불확도 약 1 × 10⁻¹⁹을 보고했다. 연구 결과는 2026년 9월 23일 학술지 네이처에 발표됐으며, 연구팀은 이를 지금까지 보고된 광원자시계 가운데 가장 높은 정확도라고 설명한다.306

원자 하나를 기준으로, 주파수 변화를 줄이다

이 시계는 전하를 띤 루테튬-176 이온 하나를 사용한다. 파장 848나노미터의 레이저로 이온의 광학 전이를 측정해 시계의 기준 주파수로 삼는다. 하지만 주파수가 높다는 사실만으로 정확도가 보장되지는 않는다. 전자기장이나 주변의 열복사도 측정하려는 주파수를 바꿀 수 있기 때문이다.72521

연구팀이 택한 방법 중 하나는 초미세구조 평균화다. 원자 내부의 한 상태만을 기준으로 쓰는 대신 관련된 여러 상태에서 측정한 값을 결합해, 상태에 따라 달라지는 주파수 변화의 일부가 상쇄되도록 한다. 배럿 연구팀은 2015년 연구 계획에서 이 접근법을 제시했고, 이후 다중 이온 루테튬 시계에서 동적 디커플링을 이용한 초미세구조 평균화를 시연했다.29152

다른 교란 요인도 따로 다뤘다. 연구팀은 2019년 이온 세 개를 사용한 시계에서 이온 사이의 주파수 차이를 측정하고 억제했는데, 여기에는 전기 사중극자 모멘트와 관련된 영향이 포함됐다. 루테튬 시계 연구에서는 열복사와 전기장 기울기에 따른 주파수 변화도 살펴본다. 따라서 이번 성과를 루테튬이 모든 환경 변화에 영향을 받지 않는다는 뜻으로 받아들여서는 안 된다.1821

1 × 10⁻¹⁹과 5.7 × 10⁻¹⁹은 무엇이 다른가

약 1 × 10⁻¹⁹은 시계 기준 주파수에 대해 보고된 분수 불확도다. 연구팀은 별도로 독립 제작한 단일 이온 시계 두 대를 비교해 5.7 × 10⁻¹⁹의 비교 불확도를 보고했다. 두 번째 수치는 시계들의 기준 주파수가 서로 일치하는지 확인한 결과이지, 개별 시계의 정확도를 다시 표현한 값이 아니다.6524

연구팀이 루테튬 주파수 기준을 비교하는 데 사용해 온 상관 분광법은 측정에 쓰는 레이저의 잡음이 비교 결과에 미치는 영향을 줄여 작은 차이를 가려내는 데 도움이 된다. 다만 두 시계에 공통으로 작용하는 체계적 주파수 변화까지 이 방법만으로 배제할 수는 없다. 관련 설명에는 200시간 비교라는 수치도 등장하지만, 제공된 자료의 발췌문만으로는 그 기간과 전체 불확도 산정을 독립적으로 확인하기 어렵다.2628

‘2,600억 년이 지나도 1초 미만의 오차’라는 표현 역시 그 기간 동안 실제로 시계를 작동시켰다는 뜻이 아니라, 오차율이 일정하다고 가정한 비유다. 분수 오차를 1 × 10⁻¹⁹로 놓고 계산하면 약 3,170억 년에 1초, 1.2 × 10⁻¹⁹로 놓으면 약 2,640억 년에 1초다. 보도에 쓰인 불확도 수치가 서로 달라 비유의 결과도 달라진다.64

‘초’의 기준을 바꾸려면 남은 과제

더 정확한 광학 기준은 장래에 ‘1초’의 정의를 바꾸는 논의에 기여할 수 있다. 그러나 한 연구실의 성과만으로 다른 연구실에서도 같은 결과를 재현할 수 있는지, 어떤 원자 전이를 새 기준으로 삼을지까지 결정할 수는 없다. 제공된 근거에서도 공식적인 변경 일정은 확인되지 않는다.3024

정확도가 이 수준에 이르면 시계의 높이도 측정 조건이 된다. 지표면 부근에서는 높이가 1밀리미터 달라질 때 중력에 따른 주파수 차이가 대략 1.1 × 10⁻¹⁹ 수준이다. 서로 다른 장소의 시계를 비교하려면 시계 자체의 성능뿐 아니라 두 위치 사이의 중력 퍼텐셜 차이도 알아야 한다. 시계를 운반할 수 있는 크기로 만드는 일 역시 별개의 과제다. 이온과 레이저, 환경에 따른 주파수 변화를 이동 후에도 제어하고 불확도를 다시 입증해야 한다.521