한때 슈퍼컴퓨터가 필요했던 양자 시뮬레이션이 이제는 노트북에서 실행됩니다.

물리학의 획기적인 발전으로 양자 혼돈이 노트북 수준의 단순성으로 바뀌다. 출처: AI/ScienceDaily.com

상상할 수 없을 만큼 작은 입자들이 존재하고 동시에 1조 가지가 넘는 방식으로 상호 작용할 수 있는 양자 영역으로 깊이 들어가 보세요.

말처럼 복잡합니다. 이처럼 복잡한 시스템과 그 무수한 구성을 이해하기 위해 물리학자들은 보통 강력한 슈퍼컴퓨터나 인공지능에 의지합니다.

하지만 동일한 문제 중 많은 부분을 일반 노트북으로 처리할 수 있다면 어떨까요?

과학자들은 오랫동안 이것이 이론적으로는 가능하다고 믿어왔지만, 실제로 이를 달성하는 것은 훨씬 더 어렵다는 것이 증명되었습니다.

버펄로 대학교 연구진이 이제 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 절단 위그너 근사(TWA)라는 비용 효율적인 계산 기법을 확장했습니다. 이는 양자 수학을 단순화하는 일종의 물리학적 지름길로, 한때 엄청난 컴퓨팅 성능을 요구한다고 여겨졌던 시스템을 처리할 수 있게 되었습니다.

마찬가지로 중요한 점은, 미국 물리학회의 저널인 PRX Quantum 에 9월에 발표된 연구에 설명된 대로, 연구자들이 데이터를 입력하고 몇 시간 내에 의미 있는 결과를 얻을 수 있는 실용적이고 사용하기 쉬운 TWA 프레임워크를 제공한다는 것입니다.

"저희의 접근 방식은 계산 비용을 크게 낮추고 역학 방정식을 훨씬 더 간단하게 표현할 수 있습니다."라고 이 연구의 교신저자이자 UB 예술과학대학 물리학 조교수인 자미르 마리노 박사는 말합니다. "이 방법은 가까운 미래에 일반 소비자용 컴퓨터에서 이러한 종류의 양자 역학을 탐구하는 주요 도구가 될 수 있을 것으로 생각합니다."

올 가을 UB에 합류한 마리노는 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학교에서 이 연구를 시작했습니다. 그의 공저자로는 그의 동문인 호세인 호세이나바디와 옥사나 첼파노바가 있으며, 옥사나 첼파노바는 현재 UB에서 마리노 연구실의 박사후 연구원으로 재직 중입니다.

이 연구는 국립과학재단, 독일연구재단, 유럽연합의 지원을 받았습니다.

반고전적 접근 방식 취하기

모든 양자 시스템을 정확하게 풀 수는 없습니다. 시스템이 복잡해질수록 필요한 컴퓨팅 성능은 기하급수적으로 증가하기 때문에, 모든 양자 시스템을 정확하게 풀 수는 없습니다.

그 대신 물리학자들은 종종 준고전 물리학으로 알려진 방법을 택합니다. 이는 결과에 거의 영향을 미치지 않는 세부 사항을 버리는 동시에 정확성을 유지하기 위해 필요한 양자 행동만 유지하는 중간적 접근 방식입니다.

TWA는 1970년대부터 사용된 준고전적 접근 방식 중 하나이지만, 에너지가 얻거나 손실되지 않는 고립되고 이상화된 양자 시스템에 국한됩니다.

그래서 마리노의 팀은 TWA를 현실 세계에서 발견되는 더 복잡한 시스템으로 확장했습니다. 현실 세계에서는 입자가 끊임없이 외부 힘에 의해 밀리고 당겨지고 주변으로 에너지가 새어 나가는 현상을 소산 스핀 동역학이라고 합니다.

"우리 이전에도 많은 연구팀이 이 문제를 해결하려고 시도했습니다. 특정 복잡한 양자 시스템은 준고전적 접근법으로 효율적으로 해결될 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다."라고 마리노는 말합니다. "하지만 진짜 과제는 이를 접근하기 쉽고 쉽게 만드는 것이었습니다."

양자 역학을 쉽게 만들기

과거에는 TWA를 활용하려는 연구자들이 복잡성이라는 벽에 부딪혔습니다. 새로운 양자 문제에 이 방법을 적용할 때마다 수학을 처음부터 다시 도출해야 했습니다.

그래서 마리노의 팀은 이전에는 이해하기 거의 불가능했던 난해한 수학 공식을 양자 문제를 풀 수 있는 방정식으로 변환하는 간단한 변환표로 바꾸었습니다.

첼파노바는 "물리학자들은 이 방법을 사실상 하루 만에 배울 수 있으며, 3일째 되는 날에는 우리 연구에서 제시한 가장 복잡한 문제 중 일부를 풀 수 있다"고 말했습니다.

큰 문제를 위해 슈퍼컴퓨터를 저장합니다.

새로운 방법이 슈퍼컴퓨팅 클러스터와 AI 모델을 진정으로 복잡한 양자 시스템에 사용할 수 있기를 기대합니다. 이러한 시스템은 준고전적 접근법으로는 해결할 수 없는 시스템입니다. 단순히 1조 개의 가능한 상태를 갖는 것이 아니라, 우주에 존재하는 원자의 개수보다 더 많은 상태를 갖는 시스템입니다.

"복잡해 보이는 것 중 상당수는 실제로는 복잡하지 않습니다."라고 마리노는 말합니다. "물리학자들은 본격적인 양자 접근법이 필요한 시스템에는 슈퍼컴퓨팅 리소스를 활용하고, 나머지는 저희 접근법을 통해 빠르게 해결할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251011105515.htm