양자 컴퓨터가 물질이 "갑자기 생겨나는" 현상을 시뮬레이션합니다.

연구진은 양자 시뮬레이터에서 끈이 끊어지는 현상을 관찰했는데, 이는 빅뱅과 관련된 질문들을 탐구하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 그림은 끈이 끊어지는 현상을 예술적으로 표현한 것입니다. (이미지 제공: 에밀리 에드워즈, 듀크 대학교)

듀크 양자 센터(DQC)가 주도하는 연구진은 양자 시뮬레이터를 사용하여 입자-반입자 생성과 관련된 끈 끊김 현상을 관찰했는데, 이는 양자 물리학에서 이러한 종류의 가장 초기 사례 중 하나입니다.

9월 23일 네이처 피직스(Nature Physics) 에 발표된 이 연구는 트랩 이온 양자 컴퓨터가 기초 물리학의 가장 심오한 질문들을 탐구하는 강력한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 이 실험은 두 개의 연결된 물질 구성 요소를 잡아당겨 분리하는 과정을 모사했는데, 이 과정에서 엄청난 에너지가 축적되어 연결이 끊어질 때 새로운 입자가 효과적으로 "생성"될 수 있습니다.

"양자 컴퓨터 시뮬레이션은 빅뱅 자체를 목격하는 것 외에는 물질 형성 같은 복잡한 질문을 연구하는 데 가장 적합한 플랫폼을 제공합니다."라고 이번 연구를 이끈 듀크 대학교 전기·컴퓨터 공학 및 물리학과의 크리스토퍼 먼로 교수는 말했습니다. "이번 연구 결과는 양자 과학 분야의 획기적인 발전을 의미하며, 양자 끈 붕괴 역학을 이해하는 새로운 길을 열어줍니다."

이번 연구는 메릴랜드 대학교(UMD), 옥스퍼드 대학교, 캘리포니아 공과대학교, 코넬 대학교, KU 루벤의 연구진이 참여한 국제 공동 연구팀에 의해 수행되었습니다. 이번 연구 결과는 서로 다른 유형의 양자 컴퓨팅 하드웨어를 사용하여 유사한 물리 현상을 재현한 다른 두 연구팀의 최근 발표된 연구 결과와 함께 공개되었습니다.

쿼크를 단순히 분리할 수 없는 이유

쿼크는 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소 중 하나입니다. 양성자나 중성자와 같은 입자 내부에 존재하며, 크기는 원자보다 약 10억 배 작습니다. 쿼크는 일반적으로 서로 단단히 결합되어 있기 때문에 과학자들은 현재로서는 개별 쿼크를 직접 관찰할 수 없습니다.

이를 이해하는 한 가지 방법은 팽팽하게 당겨진 줄로 연결된 두 개의 작은 대전 입자를 상상하는 것입니다. 두 입자를 서로 멀리 떨어뜨릴수록, 그 연결 부위에 저장된 에너지가 더 많아집니다.

결국 충분한 에너지가 축적되어 추가적인 대전 입자가 생성될 수 있습니다. 이는 질량과 에너지가 아인슈타인의 유명한 방정식 E= mc² 로 관련되어 있기 때문에 가능합니다. 하나의 분리된 입자 쌍으로 끝나는 것이 아니라, 원래의 연결이 끊어지고 새로운 입자 쌍이 형성됩니다.

이러한 과정은 막대한 양의 에너지를 필요로 하며, 일반적으로 대형 강입자 가속기 내부나 빅뱅 직후에 존재했던 것으로 추정되는 극한 조건에서만 발생합니다.

양자 기계에서 끈 이론 붕괴 재현하기

이번 실험에서 듀크대 연구팀은 이온 포획 양자 플랫폼을 이용해 유사한 끈 끊기 현상을 재현했습니다. 양자 시뮬레이터는 연구자들이 원자 및 아원자 규모에서 발생하는 물리적 과정을 모방하도록 정밀하게 제어하고 프로그래밍할 수 있기 때문에 이러한 연구에 특히 유용합니다.

"양자 시뮬레이션과 고에너지 물리학의 교차점에서 연구하는 것은 невероятно 흥미진진한 일입니다."라고 이번 논문의 제1 저자이자 먼로 연구실의 박사 과정 학생이었으며 현재 QuEra Computing의 생산 장비 책임자인 아린조이 데는 말했습니다. "통제된 실험실 환경에서 쿼크 구속과 끈 끊김 현상을 시뮬레이션함으로써, 우리는 물질의 가장 근본적인 수준에서의 행동을 실험적으로 조사할 수 있는 새로운 길을 열고 있습니다."

연구진은 시뮬레이션을 구축하기 위해 13개의 이온으로 이루어진 사슬에 사슬 끊기 모델을 인코딩했습니다. 그런 다음 정밀하게 제어된 레이저 빔을 사용하여 이온들이 서로 상호작용하는 방식을 조정했습니다.

이러한 상호작용을 통해 연구팀은 입자가 마치 끈처럼 늘어나고 결국 끊어지는 과정을 재현하는 방식으로 시스템의 에너지를 제어할 수 있었습니다.

양자 시스템의 진화를 관찰하다

연구진은 시스템을 비평형 상태로 만든 후 시간에 따른 변화를 관찰했습니다. 이를 통해 유효 전하의 출현을 감지하고 모의 사슬 파괴 과정과 관련된 역학을 재구성할 수 있었습니다.

결과를 확인하기 위해 연구팀은 고전 컴퓨터를 사용하여 동일한 과정을 모델링했습니다. 고전 계산 결과는 양자 시뮬레이터가 생성한 실험 결과와 일치했습니다.

상대적으로 작은 규모의 시뮬레이션에서는 고전 컴퓨터로도 계산을 수행할 수 있습니다. 하지만 연구진은 향후 실험 규모가 커지고 복잡해짐에 따라 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 처리할 수 없는 문제들을 해결할 수 있게 될 것으로 예상합니다.

최근 다른 연구 그룹들도 다양한 형태의 양자 하드웨어를 사용하여 유사한 성과를 달성했습니다. 구글과 퀘라 컴퓨팅(QuEra Computing)이 이끄는 연구팀은 각각 초전도 회로와 중성 원자를 이용하여 관련 끈 끊기 모델을 재현했습니다. 각 접근 방식에는 고유의 장점과 한계가 있습니다.

"이 세 가지 플랫폼은 양자 컴퓨팅 분야를 선도하고 있기 때문에 양자 커뮤니티에 좋은 벤치마크이자 비교 기준이 될 것입니다."라고 먼로는 덧붙였습니다.

슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 시뮬레이션을 향하여

포획된 이온 실험 결과는 세계에서 가장 강력한 기존 슈퍼컴퓨터조차도 구현하기에는 너무 복잡한 양자 시뮬레이션을 향한 또 다른 진전을 의미합니다.

양자 시스템의 규모가 계속 커진다면, 연구자들은 궁극적으로 이를 이용하여 빅뱅 직후 물질이 어떻게 행동하고 진화했는지 등 실험실에서 직접 재현하기 어렵거나 불가능한 질문들을 조사할 수 있을 것입니다.

"물리학자로서 원자 수준의 컴퓨팅 장치를 통해 초기 우주의 조건을 연구하는 것은 매우 흥미로운 일입니다."라고 연구팀의 일원이었던 메릴랜드 대학교 물리학과 조레 다부디 부교수는 말했습니다. "비평형 물리 모델에서 얻는 아주 작은 통찰력조차도 미래에 우리에게 길잡이가 될 것입니다."

본 연구는 미국 에너지부(DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), 미국 국립과학재단(OMA-2120757), 미 공군 과학연구소, 국방고등연구계획국 및 아마존 웹 서비스의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260925005416.htm