‘스크램블링’ 활용해 회로 조작
고전 컴퓨터 뛰어넘는 ‘열쇠’로
‘모든 결과에는 반드시 선행하는 원인이 있다’는 ‘인과성’은 물리학에서 매우 중요하다. 모든 물리 법칙이 성립할 수 있고, 실험과 관찰로 현상을 이해하고 예측할 수 있는 것도 인과성 덕분이다. SF에서 자주 사용되는 소재인 시간 여행이 불가능한 것도 인과성 원칙 때문이라 할 수 있다. 그런데 과학자들이 양자 컴퓨터 성능을 높이기 위해, 마치 시간을 역행하는 것처럼 보이게 하는 방법을 개발해 눈길을 끈다.
구글 퀀텀 인공지능(AI)과 협력 연구단은 정보가 뒤섞이는 현상인 ‘스크램블링’을 되돌리는 방식으로 양자 회로를 조작하는 것이 양자 컴퓨터의 성능을 향상하는 열쇠라고 밝혔다. 협력 연구단에는 구글 연구소, 미국 캘리포니아 버클리대, 엔비디아(NVDIA), 캘리포니아 공과대, 하버드대, 항공우주국(NASA) 에임스 연구센터, 매사추세츠공과대(MIT), 캐나다 국립 첨단 연구소, 독일 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소 등 23개 연구기관과 대학의 물리학자, 화학자, 수학자, 컴퓨터 공학자 등이 참여했다. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 10월 23일 자에 실렸다.
양자 컴퓨팅의 오랜 목표 중 하나는 특정 작업에서 기존 컴퓨터를 월등하게 능가하는 ‘양자 우위’를 달성할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 것이다. 이런 목표를 달성하기 위해서는 진짜 양자 효과와 고전적 잡음을 구별하는 등 여러 문제를 극복해야 한다. 진짜 양자 효과는 양자역학 고유 원리에 의해 발생하는 양자 중첩과 양자 얽힘으로 나타나는 신호이고, 고전적 잡음은 주변 환경과 불필요한 상호작용으로 양자 시스템이 망가지거나 의도치 않은 변화를 일으키면서 나타나는 현상이다.
연구팀은 시간을 거꾸로 되짚어 가는 것처럼 보이는 프로토콜을 사용해 초전도 양자 프로세서의 다(多)입자 양자 시스템 내에서 양자 정보가 어떻게 확산하는지를 보여 주는 고차 ‘시간-역순 상관자’(OTOCs)를 측정했다. OTOCs는 양자 시스템에서 정보가 얼마나 빠르게, 얼마나 멀리 퍼져나가는지 측정하는 방법으로 시간을 거꾸로 돌리는 듯한 조작이 포함된다. 물에 잉크 한 방울을 떨어뜨려 퍼지게 한 다음, 퍼진 잉크를 다시 한 방울로 되돌리는 방법을 써서 잉크가 얼마나 잘 퍼졌는지를 거꾸로 확인하는 것과 비슷하다.
아주 작은 수준에서의 작동 원리를 파악함으로써 시스템의 미시적 특성을 파악할 수 있는 만큼, 양자 컴퓨터를 이해하고 기존 컴퓨터 능력을 뛰어넘는 성능을 입증하는 데 사용할 수 있는 도구가 될 수 있다. 시스템에 교란을 가하고, 그 교란이 파급되도록 한 다음 시스템을 거꾸로 돌려 정보의 뒤섞임을 되돌림으로써 시스템 전체에 대한 정보를 얻는 것이다.
실험을 통한 관측량이 충분히 긴 시간 척도에서도 양자 효과가 남아 있기 때문에, 확산과 역전 동역학에 걸쳐 프로세서의 상당 부분을 표본화(샘플링)할 수 있다는 점을 연구팀이 발견했다.
이번 연구를 총괄한 하르무트 네벤 구글 퀀텀 AI 책임자는 “OTOCs 측정은 고전적 컴퓨팅으로는 접근할 수 없는 양자 시스템의 미시적 특성을 알 수 있게 해줄 뿐만 아니라, 이런 다입자 측정은 양자 우위 시연의 한 요소로 사용할 수 있길 기대한다”며 “이번 연구는 ‘개념 증명 모델’이지만, 실제 물리 시스템에서도 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
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