원자로 배열된 세계서 구현된 '슈뢰딩거 고양이'

연구팀이 제작한 ‘슈뢰딩거 고양이’ 영상의 한 장면. 각 노란색 점은 루비듐 원자 하나를 의미한다. Physical Review Letters 제공.

과학자들이 개별 원자를 제어해 세상에서 가장 작은 고양이 영상을 만들었다. 양자 컴퓨터에 적용할 수 있는 새로운 인공지능(AI) 도구를 활용해 제작한 영상이다.  

중국과학기술대와 상하이인공지능연구소 공동 연구팀이 수백 개의 개별 원자를 사용해 60ms(밀리초, 1ms=0.001s)마다 원자들이 재배열돼 새로운 이미지를 만들어내는 ’슈뢰딩거 고양이’ 만화를 제작하고 연구결과를 8일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표했다. 

현재 사용되는 컴퓨터나 휴대폰은 0, 1 두 가지 숫자만 사용하는 이진법 체계로 정보를 표현한다. 특정한 웹사이트를 클릭하는 순간 0과 1로 구성된 정보 단위인 ‘비트’들의 조합으로 문자, 이미지 등 정보가 화면에 표시된다. 

연구팀이 제작한 ‘슈뢰딩거 고양이’ 영상. 실제 영상 속도는 이보다 33배 빠르다. Physical Review Letters 제공.

양자 컴퓨터는 0, 1, 0과 1의 중첩 상태를 통해 정보 단위 ‘큐비트’를 구성한다. 여러 정보를 동시에 처리할 수 있기 때문에 기존 컴퓨터보다 문제를 훨씬 빠르고 효율적으로 해결할 수 있다. 

문제는 큐비트가 매우 불안정하고 제어하기 어렵다는 점이다. 과학자들은 중성 원자 배열로 구성된 큐비트를 개발했다. 중성 원자는 전하가 없어 광학 핀셋으로 한 개씩 잡아서 원하는 위치에 배열할 수 있다. 광학 핀셋은 레이저 광선으로 작은 입자들을 잡아 이동시키는 기술이다. 

다만 광학 핀셋으로 많은 원자들을 정확히 배열하려면 많은 시간이 걸린다는 한계가 있다. 연구팀은 AI를 이용해 원자 배열 속도를 높이는 방법을 찾아냈다. 연구팀은 광학 핀셋이 각 원자를 원하는 위치로 이동시키는 최적의 방법을 실시간으로 계산할 수 있는 AI 모델을 고안했다. 

AI 모델을 이용해 루비듐 원자들을 재빠르게 배열해 슈뢰딩거 고양이 만화를 만들었다. 영상을 구성하는 노란색 점 하나가 루비듐 원자 하나라는 점에서 영상 크기가 매우 작다는 것을 인지할 수 있다. 루비듐 원자의 반지름은 248pm(피코미터, 1pm=1조분의 1m)에 불과하다. 

연구팀은 “개발한 시스템은 최대 2024개의 원자로 작동할 수 있다”며 “향후 수천 개의 원자를 더 추가해 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.  

<참고 자료>
doi.org/10.1103/2ym8-vs82

[문세영 기자 moon09@donga.com]