지난 100년 넘게 물리학은 서로 말 섞기를 거부하는 두 룸메이트, 일반 상대성 이론과 양자 역학과 함께 잘 지내 왔다. 아인슈타인의 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 다루는 반면, 양자 역학은 미세 입자들의 세계를 지배한다. 둘 다 각자의 영역에서는 훌륭하게 작동하지만, 합치려고 하면 블루 스크린 오브 데스의 지적 버전을 얻게 된다. 특히 블랙홀, 암흑 물질, 암흑 에너지, 그리고 '우리는 왜 여기 있는가' 같은 문제에서 말이다.
라이덴 대학의 플로리안 노이카르트가 이끄는 팀은 그 간극을 메울 방법을 고민해 왔으며, 그들의 아이디어는 상쾌할 정도로 단순하다. 물질이나 에너지, 심지어 시공간 자체가 아니라 정보를 우주의 가장 근본적인 구성 요소로 취급하는 것이다. 그들은 이것을 양자 메모리 매트릭스(QMM)라고 부르며, 시공간이 매끄러운 연속체가 아니라 각각이 통과하는 모든 상호작용(입자, 힘, 이웃의 나쁜 기운)의 양자 흔적을 저장할 수 있는 작은 세포들의 격자라고 주장한다. 다시 말해, 우주는 그냥 일어나는 것이 아니라 메모를 남긴다는 것이다.
이 모든 것은 블랙홀 정보 역설에서 비롯되었는데, 이는 물리학이 '뭔가 양보해야 한다'고 말하는 방식이다. 상대성 이론은 블랙홀에 빠지는 모든 것은 영원히 사라진다고 말하는 반면, 양자 역학은 정보는 결코 파괴될 수 없다고 말한다. QMM의 해결책: 물질이 떨어질 때 주변 시공간 세포가 그 흔적을 기록한다. 블랙홀이 결국 증발할 때, 정보는 이미 백업되어 있었다. 마치 클라우드보다 앞선 우주적 클라우드 저장소처럼 말이다.
팀은 이것을 정보 보존이 작동하도록 만드는 가역 규칙인 '각인 연산자'라는 것으로 공식화했다. 그들은 중력에서 시작한 다음, 강한 핵력과 약한 핵력도 시공간에 흔적을 남긴다는 것을 깨달았다. 심지어 전자기학으로 확장하기도 했다(현재 논문은 동료 심사 중이므로, 비공식적으로 공식적이다). 간단한 전기장조차 시공간 세포의 메모리 상태를 변화시킨다는 것이 밝혀졌다. 이는 그들을 '기하-정보 이중성'이라는 더 넓은 원리로 이끌었다. 시공간의 모양은 아인슈타인이 가르친 대로 질량과 에너지뿐만 아니라 양자 정보가 어떻게 분포하는지, 특히 얽힘(두 입자가 광년을 넘어 연결될 수 있는 그 으스스한 연결)을 통해 영향을 받는다는 것이다.
이러한 전환은 극적인 결과를 가져온다. 한 연구(역시 동료 심사 중)에서, 각인 덩어리들은 정확히 암흑 물질처럼 행동한다. 중력 아래 뭉쳐지며, 은하가 예상보다 빠른 속도로 공전하는 이유를 설명하기 위해 새로운 입자를 필요로 하지 않는다. 다른 논문에서는 암흑 에너지가 어떻게 생겨날 수 있는지 보여주었다. 시공간 세포가 포화 상태가 되면(꽉 찬 하드 드라이브라고 생각하라) 새로운 정보를 기록할 수 없게 되어, 우주 상수와 동일한 수학적 형태를 가진 잔여 에너지를 기여한다. 그 크기는 관측된 암흑 에너지와 일치하며, 이는 암흑 물질과 암흑 에너지가 동일한 정보 코인의 양면임을 시사한다. 깔끔하다.
하지만 시공간의 메모리가 완전히 가득 차면 어떻게 될까? 그들의 최신 논문은 《우주론 및 입자 천체 물리학 저널》에 게재 승인되었으며, 특이점으로 붕괴하기보다는 튕겨 나오는 순환 우주를 가리킨다. 팽창과 수축의 각 주기는 더 많은 엔트로피를 원장에 축적한다. 한계에 도달하면 저장된 엔트로피가 역전(튕김)을 유도하여 새로운 팽창 단계로 이어진다. 이 모델은 우주가 이미 3~4번의 주기를 겪었으며, 10번 미만이 남았다고 제안한다. 그 후에는 시공간의 정보 용량이 완전히 포화되어 우주는 느린 팽창의 최종 단계에 들어간다. 이는 우주의 진정한 '정보 시대'를 현재 팽창의 138억 년이 아닌 약 620억 년으로 설정한다.
순수 이론처럼 들리는가? 그들은 이미 오늘날의 양자 컴퓨터에서 QMM의 일부를 테스트했으며, 큐비트를 작은 시공간 세포로 취급했다. QMM 방정식에 기반한 각인 및 검색 프로토콜을 사용하여 90% 이상의 정확도로 원래 양자 상태를 복구했다.