과학자들은 양자 컴퓨터의 열쇠를 풀 수 있는 잊혀진 입자를 발견했습니다.

한때 잊혀졌던 입자가 강력한 범용 양자 컴퓨터를 만드는 열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

양자 컴퓨터는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터의 능력을 훨씬 뛰어넘는 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 오늘날의 기계는 매우 취약하기로 악명 높습니다. 정보를 저장하고 처리하는 양자 비트, 즉 "큐비트"는 주변 환경에 의해 쉽게 손상되어 빠르게 누적되는 오류를 초래합니다.

이러한 과제를 극복하는 가장 유망한 접근법 중 하나는 위상 양자 컴퓨팅으로, 양자 정보를 애니온(anyon)이라는 특이한 입자의 기하학적 특성에 인코딩하여 보호하는 것을 목표로 합니다. 특정 2차원 물질에 존재할 것으로 예측되는 이러한 입자는 기존 큐비트보다 잡음과 간섭에 훨씬 더 강할 것으로 예상됩니다.

"이러한 컴퓨터를 구축할 수 있는 주요 후보 중 하나는 이징 애니온(Ising anyon)입니다. 이 애니온은 부분 양자 홀 상태나 위상 초전도체와 같은 특이한 시스템에서 구현될 가능성이 높아 응집 물질 연구실에서 이미 집중적으로 연구되고 있습니다."라고 USC 돈시프 인문과학대학의 수학, 물리, 천문학 교수이자 이 연구의 수석 저자인 아론 ​​라우다(Aaron Lauda)는 말했습니다 . "이징 애니온만으로는 범용 양자 컴퓨터에 필요한 모든 연산을 수행할 수 없습니다. 이징 애니온이 지원하는 계산은 '브레이딩(braiding)', 즉 애니온들을 물리적으로 서로 움직여 양자 논리를 수행하는 방식에 의존합니다. 이징 애니온의 경우, 이 브레이딩은 클리포드 게이트(Clifford gates)라고 하는 제한된 연산 집합만 가능하게 하는데, 이는 범용 양자 컴퓨팅에 필요한 최대 성능에는 미치지 못합니다."

하지만 Nature Communications 에 발표된 새로운 연구에서 USC 연구진이 이끄는 수학자와 물리학자 팀은 놀라운 해결책을 제시했습니다. 기존의 위상 양자 계산 방식에서 폐기되었던 단일 새로운 유형의 아니온(anyon)을 추가함으로써, 연구팀은 이징 아니온을 보편화하여 브레이딩(brading)만으로 모든 양자 계산을 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 연구팀은 이렇게 구출된 입자에 "네글렉톤(neglecton)"이라는 이름을 붙였는데, 이는 그동안 간과되었던 지위와 새롭게 발견된 중요성을 모두 반영하는 이름입니다. 이 새로운 아니온은 더 광범위한 수학적 틀에서 자연스럽게 도출되었으며, 계산 도구 키트를 완성하는 데 필요한 핵심 요소를 정확하게 제공합니다.

수학적 쓰레기에서 양자 보물로

핵심은 비반단순 위상 양자장 이론(TQFT)이라는 새로운 종류의 수학 이론에 있습니다. 이 이론들은 물리학자들이 애니온(anyon)을 기술하는 데 일반적으로 사용하는 표준적인 "반단순" 프레임워크를 확장합니다. 기존 모델은 소위 "양자 트레이스 0"을 가진 객체를 폐기함으로써 근본적인 수학을 단순화하는데, 이는 사실상 쓸모없다고 선언하는 것입니다.

"하지만 버려진 물건들이 결국엔 잃어버린 조각이 되는 거죠." 라우다가 설명했다. "모두가 수학 쓰레기라고 생각했던 것에서 보물을 찾은 것과 마찬가지죠."

새로운 프레임워크는 이러한 무시된 구성 요소를 유지하고 새로운 유형의 애니온(anyon)인 네글로서니온(neglecton)을 제시합니다. 네글로서온은 이징 애니온과 결합될 때 브레이딩(braiding)만으로 범용 계산을 가능하게 합니다. 중요한 것은 네글로서온이 하나만 필요하며, 이징 애니온을 네글로서온 주변에 브레이딩하여 계산이 수행되는 동안 네글로서온은 고정된 상태를 유지한다는 것입니다.

불안정한 방이 있는 집

이 발견에는 수학적 난제가 따랐습니다. 비반단순(non-semisimple) 체계는 양자역학이 확률을 보존하는 기본 원리인 단위성(unitarity)을 위반하는 불규칙성을 야기합니다. 대부분의 물리학자들은 이를 치명적인 결함으로 여겼을 것입니다.

하지만 라우다의 팀은 훌륭한 해결책을 찾아냈습니다. 그들은 이러한 수학적 불규칙성을 실제 계산에서 분리하도록 양자 인코딩을 설계했습니다. 라우다는 "불안정한 방들이 있는 집에 양자 컴퓨터를 설계하는 것과 같다고 생각해 보세요."라고 설명했습니다. "모든 방을 고치는 대신, 문제가 있는 공간은 접근 금지하고 구조적으로 안전한 공간에서만 모든 컴퓨팅이 이루어지도록 할 수 있습니다."

"우리는 이론의 이상한 부분들을 효과적으로 격리했습니다."라고 라우다는 말했다. "양자 정보가 존재하는 위치를 신중하게 설계함으로써, 이론에서 제대로 작동하는 부분에만 정보가 머물도록 했습니다. 따라서 전체 구조가 수학적으로 특이하더라도 계산은 작동합니다."

순수 수학에서 양자 현실까지

이 획기적인 발견은 추상적인 수학이 어떻게 예상치 못한 방식으로 구체적인 공학적 문제를 해결할 수 있는지를 보여줍니다.

라우다는 "이전에는 쓸모없다고 여겨졌던 수학적 구조를 수용함으로써 양자 정보 과학에 완전히 새로운 장을 열었습니다."라고 말했습니다.

이 연구는 이론과 실제 모두에서 새로운 방향을 제시합니다. 수학적으로 연구팀은 다른 매개변수 값으로 프레임워크를 확장하고 비반단순 TQFT에서 단위성의 역할을 명확히 규명하기 위해 노력하고 있습니다. 실험적 측면에서는, 정상 무시 현상이 발생할 수 있는 특정 물질 플랫폼을 파악하고, 브레이딩 기반 접근 방식을 실현 가능한 양자 연산으로 변환하는 프로토콜을 개발하는 것을 목표로 합니다.

"특히 흥미로운 점은 이 연구가 우리가 이미 생성 방법을 알고 있는 입자를 이용하여 보편적인 양자 컴퓨팅에 한 걸음 더 다가가게 한다는 것입니다."라고 라우다는 말했다. "수학은 명확한 목표를 제시합니다. 실험가들이 이러한 추가적인 정지 상태의 양자를 구현하는 방법을 찾을 수 있다면, 아이징 기반 시스템의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있을 것입니다."

라우다 외에도 이 연구의 첫 번째 저자인 필리포 이울리아넬리, USC의 성 킴, 뉴욕시립대학교 메드가 에버스 칼리지의 조슈아 수산 등이 공동 저자로 참여했습니다.

이 연구는 미국 국립과학재단(NSF) 연구비(DMS-1902092, DMS-2200419, DMS-2401375), 육군 연구 사무국(W911NF-20-1-0075), 저차원 위상수학의 새로운 구조에 대한 Simons Foundation 협업 연구비, Simons Foundation 여행 지원 연구비, NSF 대학원 연구 펠로우십(DGE-1842487) 및 PSC CUNY 강화 연구비(66685-00 54)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250823083645.htm