과학자들은 양자 컴퓨터로 시간 여행을 시뮬레이션해 양자 영역에서 “나비 효과(butterfly effect)”가 없음을 증명했다.

연구에서 큐비트(qubits) 또는 양자 비트(quantum bits) 정보는 시뮬레이션 된 과거로 시간 여행했다. 그중 하나는 정보를 심하게 손상했다. 놀랍게도, 모든 큐비트가 현재로 돌아오면 마치 현실이 자가 치유되는 것처럼 크게 변경되지 않은 것으로 나타났다.

피지컬리뷰레터즈 게재 논문 공동 저자인 미국 로스알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 이론 물리학자 니콜라이 시니트신(Nikolai Sinitsyn)은 “양자 컴퓨터에서는 시간을 거슬러 진화를 시뮬레이션하거나 프로세스를 과거로 거꾸로 시뮬레이션하는 데 아무런 문제가 없다”고 말했다.

이어 그는 “따라서 우리가 시간을 거스른 여행에서 작은 피해를 입히고 돌아오면 복잡한 양자 세계에서 어떤 일이 일어나는지 실제로 볼 수 있다. 우리는 세상이 그대로 유지되는 것을 발견했다. 이는 양자 역학에 나비 효과가 없다는 의미”라고 설명했다.

레이 브레드버리(Ray Bradbury)의 1952 년 공상 과학 소설 ‘천둥의 소리(A Sound of Thunder)’에서 한 캐릭터는 타임 머신으로 심층 과거(deep past)를 여행하면서 나비를 밟았다. 현재로 돌아 왔을 때, 그는 완전히 다른 세상을 발견했다. 이 이야기는 나비 효과라는 용어의 배경으로 초기 조건에 대한 복잡한 동적 시스템의 매우 높은 감도를 나타낸다. 그러한 시스템에서 초기의 작은 요소들이 전체 시스템의 진화에 큰 영향을 미친다.

대신 연구진은 양자 시스템에서 작은 국소적 손상을 야기하기 위해 과거로의 귀환을 시뮬레이션해 현재 작은, 미미한 국소적 손상만을 초래한다는 것을 발견했다.이 효과는 정보보안 하드웨어 및 양자 정보 장치 테스트에 응용할 수 있다. 초기 상태를 강력하게 얽힌 상태로 변환하면 컴퓨터에서 정보를 숨길 수 있다.

논문 공동저자인 로스알라모스연구소 비선형 연구 센터(Center for Nonlinear Studies) 박사후연구원 빈 얀(Bin Yan)은 “침입자가 강력한 얽힘 상태에서 상태 손상 측정을 수행하더라도 이 손상이 디코딩 프로세스에 의해 확대되지 않기 때문에 유용한 정보를 쉽게 복구할 수 있다. 이것은 정보를 숨기는 데 사용될 양자 하드웨어를 만드는 것에 대한 이야기를 정당화 한다”고 말했다.

이 새로운 발견은 또한 양자 프로세서가 실제로 양자 원리에 의해 작동하는지 테스트하는 데 사용될 수 있다. 새로 발견된 비-버터플라이 효과는 순수 양자 상태로 프로세서가 새로운 시스템을 실행하고 이 효과를 나타내면 양자 프로세서여야 한다.

연구진은 양자 시스템에서 나비 효과를 테스트하기 위해 IBM-Q 양자 프로세서와 관련 이론 및 시뮬레이션을 사용했다. 순방향 및 역방향 원인과 결과로 양자 게이트를 적용해 회로가 복잡한 시스템을 어떻게 발전시킬 수 있는지 보여주었다.

연구에서 엘리스(Alice)는 자신의 큐비트를 준비하고 정보 스크램블 유니터리 U를 이것과 다른 큐비트에 모두 적용한다. 밥은 자신의 큐비트를 측정해 큐비트를 앨리스에게 알려지지 않은 상태로 뒤집는다. 엘리스는 여전히 단일 디코딩 유니터리 U †를 통해 정보를 재구성할 수 있다. credit:Los Alamos National Laboratory.

양자 타임머신 시뮬레이터

실험에서 양자 사고 실험에 주로 사용되는 에이전트 엘리스(Alice)는 현재 큐비트 중 하나를 준비하고 양자 컴퓨터를 통해 거꾸로 실행한다. 심층 과거에서 앨리스의 큐비트를 측정하는 침입자 밥(Bob)은 큐비트를 교란하고 나머지 세계와의 모든 양자 상관 관계를 파괴한다. 다음으로 시스템은 현재 시간으로 실행된다.

브레드버리에 따르면 밥(Bob)이 상태에 미치는 작은 피해와 과거의 모든 상관 관계는 복잡한 미래 진화 과정에서 빠르게 확대돼야 한다. 따라서 엘리스는 마지막에 정보를 복구할 수 없어야한다. 연구결과는 그렇지 않았다.

얀과 시니트신은 현재 국소적 정보 대부분이 과거에 약간의 조작으로 손상될 수 없는 본질적으로 양자 상관의 형태로 숨겨져 있음을 발견했다. 그들은 정보가 밥의 간섭에도 불구하고 큰 피해 없이 엘리스의 큐비트로 돌아온다는 것을 보여주었다. 직관적으로, 과거로의 더 깊은 여행과 더 큰 세계에서 엘리스의 최종 정보는 그녀에게 더 적은 피해를 준다.

시니트신은 “우리는 고전 물리학과 양자 역학에서 혼돈의 개념이 다르게 이해돼야한다는 것을 발견했다”고 말했다.

* Bin Yan and Nikolai A. Sinitsyn. Recovery of Damaged Information and the Out-of-Time-Ordered Correlators, Phys. Rev. Lett.125, 040605 (2020); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.040605