원제 : 양자컴퓨터에 한 걸음 더 나아가

 

일반적으로 컴퓨터 프로그래밍은 오랜 시간 코딩을 해야 하는 매우 고된 작업이다. 여기에는 컴퓨터가 제대로 작동하도록 하기 위한 오류 검출 디버깅과 테스트 및 문서화 작업이 곁들여진다.

 

하버드-MIT 울트라콜드 아톰 센터와 캘리포니아 공대(Caltech) 연구진은 양자컴퓨터 개발을 위해 실제로 매우 힘든 작업을 수행해야 했다.

 

하버드대 물리학과 미하일 루킨(Mikhail Lukin) 교수와 마커스 그라이너(Markus Greiner) 교수 그리고 MIT의 블라단 불르틱(Vladan Vuletic) 교수가 이끄는 연구팀은 ‘양자 시뮬레이터’로 알려진 특별한 형태의 양자컴퓨터를 개발했다.

 

 

이 시뮬레이터는 레이저로 초냉각 루비듐 원자를 포획해 이를 특정 순서로 정렬한 뒤 양자역학적으로 필요한 계산을 해낼 수 있도록 설계했다.

 

이 시스템은 양자역학과 물질 특성 사이의 연계에서부터 물질의 새로운 위상(phase)을 연구하고 복잡한 현실 세계에서의 최적화 문제 해결에 이르기까지, 여러 복잡한 양자 프로세스를 규명하는데 활용될 수 있다. 이 시스템은 과학저널 <Nature>에 최근 소개됐다.

 

50개 넘는 큐비트 갖춘 대규모 양자컴

 

연구팀은 시스템의 크기가 큰데다 여기에 고도의 양자 결맞음(quantum coherence)이 결합된 점이 특히 중요한 성과라고 밝혔다. 이 시스템은 50개가 넘는 일관된 큐비트(qubit)를 가지고 있어 지금까지 개별적으로 조립 제작된 양자컴퓨터 중에서 가장 큰 축에 속한다.

 

같은 호 <Nature>에는 미국 메릴랜드대 연합 양자연구소 팀이 역시 레이저로 컨트롤되는 비슷한 크기의 냉각 충전 이온 시스템을 소개했다. 이러한 상호 보완적인 진전은 대규모 양자 기계를 만들어낼 수 있는 중요한 단계를 구성한다.

 

루킨 교수는 “모든 일이 절대 영도에 가깝게 냉각된 매우 희박한 원자 증기가 있는 작은 진공 챔버에서 일어난다”고 말했다. 그는 “이 증기 구름에 약100개의 레이저 광선을 집속시키면 각각의 빛줄기가 덫처럼 작용한다”며, “각각의 빔은 매우 단단하게 집속돼 원자 1개를 잡거나 아니면 아무 것도 잡지 못하는데, 여기서 재미있는 일이 시작된다”고 설명했다.

 

레이저 빛으로 원자 상호작용 유도

 

연구팀은 현미경을 사용해 포획한 원자를 실시간으로 이미지화한 다음 임의의 패턴으로 배열해 시스템의 입력 자료를 구성한다.

 

논문 공동저자인 루킨 교수실 아메드 옴란(Ahmed Omran) 연구원은 “우리는 매우 잘 통제된 방식으로 자료들을 조립한다”며, “임의의 패턴으로 시작해서 자료들을 원하는 클러스터에 배열하기 위해 어떤 덫을 어디에 배치해야 할지 결정한다”고 말했다.

 

루킨 교수는, 연구팀이 시스템에 에너지를 공급하면서 원자들이 상호 작용하기 시작하고, 이러한 상호작용이 시스템에 양자적 성질을 부여한다고 밝혔다.

 

옴란 연구원은 “원자가 상호 작용하도록 만들면 그것이 곧 컴퓨터 계산을 수행하는 것”이라며, “본질적으로 시스템을 레이저 빛으로 자극하면 시스템이 스스로 조직화한다”고 설명했다. 그는 “간단하게 원자에 빛을 쪼이면 원자가 계산을 수행하고 우리는 그 결과를 측정한다”고 말했다.

 

이 같은 결과들이 기존의 컴퓨터를 사용해 모델화하는 것이 거의 불가능한 복잡한 양자 역학 현상을 설명해 줄 수 있다는 것.

 

양자 시뮬레이터로 부르는 이유

 

논문 공동저자 중 하나인 알렉산더 키슬링 박사과정생은 “어떤 특정한 수의 입자들이 특정한 방식으로 서로 상호 작용하는 추상적 모델을 가지고 있다면 왜 컴퓨터 앞에 앉아서 그런 방식으로 시뮬레이션을 하지 않는가 의문을 가질 것”이라며, “그 이유는 이러한 상호작용이 본질적으로 양자역학이기 때문이며, 컴퓨터에서 이러한 시스템을 시뮬레이션하려고 하면 시스템 크기가 매우 작게 제한될 뿐 아니라 매개변수 수도 제한된다”고 설명했다.

 

그는 “시스템을 더욱 더 크게 만들고 기존 컴퓨터로 이를 시뮬레이션하려고 하면 메모리와 컴퓨터 성능이 바로 소모돼 버린다”고 말했다. 방법은 시뮬레이션하려고 하는 시스템과 같은 규칙을 따르는 입자들로 문제를 만들어 보는 것이며, 그래서 이것을 양자 시뮬레이터라고 부른다는 것.

 

작은 양자시스템을 모델링하기 위해 고전적인 컴퓨터를 사용할 수도 있으나 루킨 교수팀이 개발한 시뮬레이터는 51큐비트를 사용하기 때문에 기존 컴퓨팅 기술을 사용해 복제하는 것은 사실상 불가능하다.

 

루킨 교수는 “우리 기계를 사용해 작은 시스템을 시뮬레이션하는 것부터 시작하는 것이 중요하다”며, “간단히 비교할 수 있는 것이 없기 때문에 더 큰 시스템을 만들어낼 때까지 우리는 그 결과들이 옳다는 것을 보여줄 수 있다”고 말했다.

 

양자 현상에 대한 통찰과 새로운 물질 형태 밝히는 데도 도움

 

논문 공동저자인 하니스 버니언(Hannes Bernien) 루킨 교수실 박사후 과정 연구원은 “우리가 연구를 시작할 때 모든 원자들은 고전적인 상태에 있었고 마지막에 고전적 비트 열인 0과 1을 얻었다”며, “처음부터 끝까지 그런 결과를 얻으려면 복잡한 양자역학 상태를 거쳐야 하고 만약 오류율이 높을 경우 양자역학 상태는 붕괴된다”고 덧붙였다.

 

버니언 박사는 그것은 시스템이 시뮬레이터로 작동하도록 해주는 일관된 양자 상태로서 한편으로 복잡한 양자 현상에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있고, 궁극적으로 유용한 계산을 수행할 수 있는 도구가 된다고 말했다. 루킨 교수에 따르면 이 시스템은 이미 연구자들로 하여금 양자 위상 천이(quantum phase transitions)라고 불리는, 다른 종류의 양자 위상 간 변형에 대한 독특한 통찰력을 얻게 해주었으며, 새롭고 이색적인 물질 형태를 밝히는데도 도움을 줄 것으로 보인다.

 

양자 시뮬레이터로 물질의 비평형상태 관찰

 

루킨 교수는 “일반적으로 물질의 위상에 대해 얘기할 때 물질의 평형상태에 대해 말한다”며, “그러나 어떤 매우 흥미로운 물질 상태는 평형과는 거리가 멀어 양자 영역에 존재할 가능성이 매우 높으며, 이것은 완전히 새로운 경계”라고 설명했다.

 

그는 연구원들이 새로운 시스템으로 수행한 첫 번째 실험에서 놀랍게도 오랫 동안 안정된, 새롭고 일관된 비평형 상태를 발견함으로써 이런 상태에 대한 증거를 관찰했다고 밝혔다.

 

루킨 교수는 “양자컴퓨터가 앞으로 몇 년 안에 그러한 물질의 비평형 상태를 실현하고 연구하는데 사용될 것”이라고 전망했다. 또다른 흥미로운 방향은 복잡한 최적화 문제를 해결하는 것으로서 원자들 사이의 위치와 상호작용을 프로그래밍함으로써 매우 복잡한 문제들도 인코딩할 수 있다는 것. 제안된 몇몇 알고리듬들이 그런 시스템에서 고전적인 컴퓨터를 능가할 수 있을 것으로 보이나 기존 방식으로 이를 테스트할 수 없기 때문에 그렇다고 단정적으로 말하기는 어렵다.

 

그는 “우리는 수백 개의 제어된 큐비트를 담은 완전한 양자 기계로 이들을 테스트할 수 있는 영역에 들어서기 직전에 있다”며, “과학적으로 이것은 정말 흥미로운 일”이라고 찬사를 보냈다.

 

<KISTI의 과학향기> 제3053호