'반물질 비밀 풀까'...美에너지부, 입자 물리학에 양자컴퓨터 도입

미국 에너지부가 역대 최대 규모의 디지털 양자 시뮬레이션을 구현했다. 슈퍼컴퓨터로는 감당하기 어려운 복잡한 입자 물리 현상을 양자컴퓨터를 활용해 풀어낸 것이 특징이다. 연구진은 이번 성과를 바탕으로 반물질과 중성자별처럼 기존 컴퓨터로는 다루기 어려웠던 극한 환경을 양자 시뮬레이션으로 구현하고 이에 대한 새로운 해답을 제시할 수 있는 도구가 될 수 있을 것으로 기대를 밝혔다. 23일(현지시간) 미국 에너지부 과학국 산하 핵물리 프로그램팀은 IBM의 양자컴퓨터에서 100개가 넘는 큐비트를 활용해 확장 가능한 표준모형 알고리즘을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 알고리즘은 핵입자물리 현상을 모사하는 확장형 양자회로를 구성하고 표준모형 방정식을 디지털 양자 시뮬레이션 형태로 재현하는 것이 특징이다. 표준모형은 우주를 구성하는 기본입자와 이들 사이에 작용하는 힘을 설명하는 이론이다. 하지만 밀도가 매우 높거나 시간이 따라 역동적으로 변하는 상황에서는 방정식이 지나치게 복잡해 가장 성능이 뛰어난 슈퍼컴퓨터로도 계산이 사실상 불가능하다. 연구진은 이런 한계를 넘기 위해 양자컴퓨터를 활용하는 전략을 택했다. 이를 위해 연구팀은 먼저 입자 물리학을 설명하는 표준모형을 아주 작은 규모로 단순화해, 일반 컴퓨터에서 계산 가능한 모형계를 만들었다. 이 계산에서 얻은 결과를 바탕으로 시스템 크기가 커질 때도 회로 구조를 규칙적으로 덧붙여 나갈 수 있도록 설계를 정리했다. 이후 이 설계를 양자컴퓨터에 그대로 옮겨 쓸 수 있는 확장형 시뮬레이션 모델로 구현해, 큰 규모에서도 동일한 원리로 동작하는 양자회로를 만들어 냈다. 연구팀은 이렇게 만든 모델을 1차원 직선 위에서 입자와 빛의 상호작용을 다루는 양자전자역학(QED) 단순 모형인 '슈윙거 모델'에 적용했다. 그 결과 겉으로는 아무것도 없는 것처럼 보이지만 실제로는 양자 요동이 끊임없이 일어나는 진공 상태와, 강한 힘으로 결합된 입자 덩어리인 하드론 상태를 양자컴퓨터 위에서 직접 준비하는 데 성공했다. 실험 검증도 이뤄졌다. 연구팀은 작은 크기의 계에 대해서는 고전 슈퍼컴퓨터로 얻은 계산 결과와 양자컴퓨터 시뮬레이션 결과를 비교해 상태가 회로 깊이에 따라 체계적으로 개선될 수 있고 진공의 물리량이 퍼센트 수준 오차로 재현된다는 점을 확인했다. 에너지부는 이를 디지털 방식으로 수행된 양자 시뮬레이션 가운데 현재까지 최대 규모 실험으로 평가했다. 이번 성과는 양자컴퓨터가 단순 계산 검증 수준을 넘어, 실제 핵입자물리에서 다루는 계와 유사한 구조를 지닌 시스템을 직접 다룰 수 있는 단계에 진입했음을 보여준다. 특히 초기 상태를 확장 가능한 회로로 준비할 수 있게 되면서, 향후 더 많은 큐비트를 활용해 복잡한 입자 충돌 과정이나 초고밀도 조건을 순차적으로 계산해 나갈 수 있는 잠재력을 검증했다는 점에서 의미가 크다는 평가다. 이번 연구는 미국 에너지부와 워싱턴대학교 '인큐베이터 포 퀀텀 시뮬레이션(IQuS)', 양자과학센터(QSC) 등의 지원으로 이뤄졌다. 구체적인 이론·실험 결과는 미국물리학회가 발간하는 'PRX 퀀텀'과 '피지컬 리뷰 D'에 각각 게재됐다. 워싱턴대학교 마틴세이지 양자 시뮬레이션 인큐베이터는 "이번 성과는 단순한 개념 증명을 넘어, 극한 조건에서 물질이 어떻게 거동하는지를 본격적으로 계산할 수 있는 '양자 시뮬레이션 로드맵'의 초석"이라며 "장기적으로는 물질과 반물질이 왜 비대칭으로 남았는지, 초신성이 어떻게 무거운 원소를 만들어 내는지, 중성자별 내부와 같은 초고밀도 물질의 성질은 어떠한지 등, 기존 고전 컴퓨팅만으로는 접근이 어려웠던 문제에 답을 줄 도구가 될 것"이라고 밝혔다. 이어 "앞으로 양자 하드웨어 성능과 오류 보정 기술이 개선되면, 이번 회로 설계를 기반으로 표준모형의 강한 상호작용을 포함한 보다 복잡한 3차원 문제까지 단계적으로 확장해 나갈 계획"이라고 덧붙였다.