[사이테크+] 재미 한국 물리학자들 획기적 양자정보기술 성과 연속 발표

MIT 최순원·캘텍 최준희·김은종, '네이처·사이언스'에 논문 공개
'양자컴 정확도·신뢰도 검증, 초전도메타물질 기반 새 양자시뮬레이터 구현'

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 미국에서 활동하는 한국 물리학자들이 양자정보기술 개발을 가속할 수 있는 획기적 연구 성과를 과학저널 '네이처'(Nature)와 '사이언스'(Science)에 잇따라 발표해 주목받고 있다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 최순원 교수와 캘리포니아공대(캘텍)의 마누엘 엔드레스 교수가 공동 교신저자를 맡은 연구팀은 19일 '네이처'에 양자컴퓨터의 정확도와 신뢰성을 검증할 수 있는 새로운 연구 성과를 공개했다.

이 논문의 공동 제1저자는 연구 당시 캘텍 소속 박사후연구원이던 최준희 현 스탠퍼드대 교수와 캘텍 대학원생 애덤 쇼다.

최순원 교수와 캘텍의 오스카 페인터 교수·김은종 박사팀은 연결성과 확장성이 높은 새로운 양자시뮬레이터를 구현한 연구 결과를 20일 '사이언스'에 발표했다.

두 연구에서 MIT 연구팀은 이론을, 캘텍 연구팀은 실험을 담당했다.

캘텍 연구팀이 제작한 양자시뮬레이터를 이용한 실험 장면 [캘텍 마누엘 엔드레스 교수팀 제공. 재판매 및 DB 금지]

네이처 논문 저자들은 이 연구에 대해 많은 입자가 모인 양자역학적 시스템에서 나타나는 무작위성(randomness) 속에서 일정한 통계학적 패턴을 발견하고, 이를 역으로 활용해 양자컴퓨터의 정확도와 신뢰성을 검증하는 방법을 개발했다고 밝혔다.

양자컴퓨터의 성능을 어떻게 정량적으로 평가할 것인지, 즉 원하는 계산을 양자컴퓨터로 수행할 때 양자컴퓨터가 올바른 답을 줄 확률이 얼마인지 파악할 방법을 세계 최초로 제시했다는 것이다.

양자컴퓨터는 1비트(bit)로 0이나 1 중 하나만 표현할 수 있는 전통적 디지털 컴퓨터와 달리 0과 1의 중첩상태에 있을 수 있는 '큐비트'(qubit)를 사용한다. 큐비트 수가 늘어날수록 연산 능력이 획기적으로 증가하지만 복잡성도 함께 증가해 성능 측정이 더욱 어려워진다.

연구팀은 거꾸로 양자컴퓨터의 이런 무작위성을 기준으로 삼아 통계학적으로 정확도와 신뢰성을 측정할 수 있는 알고리즘을 개발했다.

이어 최대 25개의 원자로 구성된 양자시뮬레이터를 구현하고, 실제로 측정된 무작위성이 이론적으로 예측된 무작위성과 일치하는지 비교하는 실험을 통해 이 방법의 실효성을 검증했다.

최순원 교수는 "이 기술은 현존하는 거의 모든 양자시뮬레이터나 양자컴퓨터에 적용될 수 있다"며 "앞으로 양자정보기술 개발을 가속하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

캘텍 오스카 페인터 교수·김은종 박사팀이 개발한 양자시뮬레이터와 10센트 동전 [캘텍 오스카 페인터 교수팀 제공. 재판매 및 DB 금지]

캘텍 소속 김은종 박사가 논문 공동 제1저자로, MIT 최순원 교수가 공동연구자로 참여한 '사이언스' 논문에는 연구팀이 개발한 초전도 광메타물질을 기반으로 새로운 양자시뮬레이터를 구현한 연구 성과가 담겼다.

연구팀은 새로 구현한 양자시뮬레이터 플랫폼을 실용적인 초전도 양자컴퓨터를 구현하는데 적용할 수 있을 것이라며 관련 기술 개발을 기대했다.

양자컴퓨터를 구성하는 큐비트 간의 연결성은 시스템의 확장성과는 상충관계에 있어 실용적인 양자컴퓨터를 개발하는 데 큰 걸림돌이 돼 왔다.

큐비트 수가 늘어날수록 이에 대한 제어 능력은 기술적 한계로 감소하는 경향을 보이며 특히 복잡한 양자연산을 가능하게 하는 큐비트 간의 상호작용 범위가 제한되는 경우가 많다.

연구팀은 빛에 의해 매개된 큐비트 간의 상호작용이 범위가 제한되지 않고 확장성이 유지된다는 점에 주목했다.

이들은 초전도 큐비트와 쉽게 결합하는 광메타물질을 개발하고, 이를 바탕으로 10개 큐비트 간의 비국소적 상호작용이 가능한 양자시뮬레이터를 구현했다.

연구팀은 광메타물질은 빛의 파장보다 아주 작은 구조들을 배열해 만든 새로운 특성을 가진 물질이라며, 큐비트의 확장성과 연결성을 높이는 핵심요소라고 설명했다.

연구팀은 또 이 양자시뮬레이터를 이용해 기존 다른 시뮬레이터로는 불가능했던 '양자 혼돈'(quantum chaos)' 현상을 처음으로 규명했다며 이를 통한 새로운 방향의 기초과학연구도 가능할 것이라고 밝혔다.

최순원 교수는 대전과학고를 조기졸업하고 2012년 캘텍 물리학과 학부를 수석으로 졸업했으며, 하버드대에서 물리학 박사학위를 받고 MIT 교수로 재직중이다.

최준희 교수는 한성과학고를 조기졸업하고 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과를 2008년에 수석으로 졸업한 뒤 하버드대에서 물리학박사를 받았으며 캘텍 연구원을 거쳐 최근 스탠퍼드대 전기공학부 조교수로 임용됐다.

김은종 박사는 서울과학고를 졸업하고 서울대에서 학사학위를, 캘텍에서 박사학위를 받았으며 현재 캘텍의 IQIM 펠로십에 선정돼 양자정보 연구를 하고 있다.

왼쪽부터 매사추세츠공대(MIT) 최순원 교수, 현 스탠퍼드대 최준희 교수, 캘리포니아공대(Caltech) 김은종 박사. [MIT 최순원 교수 제공. 재판매 및 DB 금지]

scitech@yna.co.kr

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