양자얽힘 상태 찾아내는 알고리즘 개발…고온 초전도체 비밀 풀릴까

KAIST

연구팀이 연구에 이용한 장비. 원자 하나하나의 위치를 개별적으로 조작 가능하다. KAIST 제공

국내 연구팀이 아날로그 양자 시뮬레이터의 오류를 정정할 수 있는 알고리즘을 최초로 개발해 원거리 양자얽힘 관측에 나선다. 

KAIST는 최재윤 물리학과 교수 연구팀이 조길영 포스텍 교수 연구팀과 함께 중성원자 양자 시뮬레이터의 오류 정정 알고리즘을 개발해 국제 학술지 '피지컬 리뷰 X'에 지난 8일 발표했다고 29일 밝혔다. 

중성원자 광격자 양자 시뮬레이터는 특정 문제에 대한 해답을 알아내는 특수목적형 양자 컴퓨터의 한 종류다. 주요 연구 목표는 복잡한 양자 다체 문제에 대한 물리법칙을 이해하는 것으로 고온 초전도물질이 대표적인 예다. 

광격자는 레이저 파동을 반사시켜 만들어지는 정상파를 뜻한다. 극저온으로 냉각된 양자 상태의 원자들은 정상파에 의해 형성되는 포텐셜을 느끼게 되고 고체 물질에서 행동하는 전자들의 양자역학적 움직임을 흉내내게 된다. 이를 통해 개별 원자들의 양자 상태를 직접적으로 관측하고 시공간적 물리량의 변화를 직접 관측하는 원리다. 

하지만 양자 시뮬레이터에는 관측 과정 및 양자 상태 준비 과정에서 원자 손실과 같은 결함이 발생한다는 한계가 있다. 이 결함은 위상 물질의 특성을 규정짓는 '비국소 질서 변수'를 측정하는 데 큰 걸림돌이 된다.

물리학 용어인 '국소적 질서 변수'는 밀도를 가진 어떤 물질의 상태를 임의의 한 지점에서 관측하고 물질의 상태를 결정하는 것을 말한다. 밀도가 높으면 고체, 낮으면 기체로 분류하는 식이다. 

최 교수에 따르면 위상 물질은 기존 액체나 고체처럼  특정한 질서 변수를 국소적으로 기술하기 어렵다. 위상 물질의 원자들은 자연적으로 양자 얽힘 상태로 존재하기에 양자 얽힘과 같은 질서 변수를 함께 고려해야 한다는 설명이다. 또 2차원, 3차원 위상 물질의 경우 실험에서 발생하는 노이즈에 의해 신호가 급격하게 약해져 실험적 관측이 매우 어렵다. 

연구팀은 양자 시뮬레이터에서 비국소 질서 변수까지 측정 가능하며 실험적 결함도 함께 찾아내는 알고리즘을 개발했다. 시뮬레이터에서 위상 물질의 물성 측정 과정에서 오류를 발생시킬 수 있는 결점을 제거했다. 측정된 원자들 가운데 어떤 원자들이 서로 양자얽힘 상태인지 알고리즘이 스스로 판단한다. 이를 통해 측정 과정에서의 오류를 줄일 수 있다.

노이즈에 의한 신호 방해도 해결했다. 알고리즘을 통해 위상 물질의 질서 변수를 측정할 수 있는 신호가 100배 이상 증가하면서 실험적 관측이 가능해졌다. 

연구팀은 해당 기술을 여러 가지 중성원자 양자 시뮬레이터에 활용할 수 있을 것으로 본다.  "양자 스핀 액상과 같은 2차원 위상 물질의 물성을 규정하는 데 적용 가능하며 고온 초전도체 물질을 흉내 내는 양자 시뮬레이터에도 해당 기법을 응용할 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다. 

연구를 이끈 최 교수는 "중성원자 양자 시뮬레이터에 존재하는 실험적 결함을 보정하는 것이 가능함을 보여준 최초의 연구"라고 의의를 밝혔다.

원자들 가운데 어떤 쌍이 서로 양자 얽힘 상태인지 찾아내는 알고리즘. KAIST 제공

[박건희 기자 wissen@donga.com]