양자 세계 ‘큐비트 상태 냉각’ 양자 시뮬레이터로 최초 관측

美 듀크대, 통계적 국소화 구현 성공

양자메모리·정보저장 기술 확장 가능

미시 세계에서는 우리가 일상에서 경험하는 물리 법칙이 항상 그대로 적용되지 않는다. 물에 잉크를 떨어뜨리면 시간이 지나며 고르게 퍼지고, 실온에서 얼음은 결국 녹아 물로 변한다. 이처럼 에너지 이동을 통해 계가 평형 상태에 도달하는 현상을 열평형(thermalization)이라 한다. 그러나 원자와 아원자 수준의 양자 영역에서는 외부에서 특별히 막는 요인이 없어도 평형에 도달하지 않고 특정 상태가 그대로 유지되는 현상이 나타날 수 있다.

고전 물리학 열평형 균열, 양자 현상

미국 듀크대(Duke University) 연구진은 이러한 ‘통계적 국소화(statistical localization)’ 현상을 양자 시뮬레이터를 통해 처음으로 실험적으로 관측하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 Nature Physics에 게재됐다.

“흔들어도 사라지지 않는 라떼 아트?”

연구를 이끈 Huanqian Loh 교수는 통계적 국소화를 “흔들어도 사라지지 않는 라떼 아트와 같은 현상”에 비유했다. 일반적으로 액체를 흔들면 내부 요소가 서로 섞이며 기존의 패턴은 사라지지만, 통계적 국소화가 일어나는 양자계에서는 여러 상태가 서로 연결되어 있음에도 대부분의 상태가 사실상 ‘고정’된 채 유지된다. 이는 특정 물리량이 한 지점에 묶여 있는 기존 국소화 개념과 달리, 보존되는 성질이 공간적으로 퍼져 있음에도 계 전체가 평형으로 확산되지 않는다는 점에서 차별화된다.

이번 실험은 루비듐 원자를 이용한 중성 원자 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 수행됐다. 연구진은 집속 레이저로 원자들을 1차원 사슬 형태로 정밀하게 배열한 뒤, 추가 레이저를 통해 전자를 들뜨게 해 원자 간 상호작용을 유도했다. 이후 정교하게 설계된 양자 진화를 거치면서 상태 변화를 관측한 결과, 대부분의 양자 비트(큐비트) 구성 상태가 시간이 지나도 거의 변화하지 않는 현상이 확인됐다.

격자 게이지 이론과의 연결… 입자물리학 응용 기대

특히 이번 연구는 격자 게이지 이론(lattice gauge theory)을 구현한 양자 시뮬레이터에서 이뤄졌다는 점에서 의미가 크다. 공동 연구자인 Natalie Klco 교수는 격자 게이지 이론이 자연의 네 가지 기본 힘 가운데 세 가지를 설명하는 핵심 이론적 틀이라며, 이를 고전 컴퓨터로 계산하는 데에는 막대한 비용이 든다고 설명했다. 그는 이번 실험이 양자 컴퓨팅을 활용해 아원자 물리 현상을 연구하는 데 한 걸음 더 다가간 성과라고 평가했다.

양자 기술이 수십 개 큐비트 수준의 소형 시뮬레이터에서 수천 개 큐비트를 갖춘 대형 양자 컴퓨터로 발전하는 과정에서, 정보를 안정적으로 저장하는 능력은 핵심 과제로 꼽힌다. 통계적 국소화 현상은 외부 환경의 영향에도 불구하고 특정 양자 상태를 장기간 유지할 수 있는 가능성을 제시한다는 점에서, 향후 양자 메모리 개발과 잡음에 강한 정보 저장 기술, 새로운 양자 물질 연구 등에 중요한 단초를 제공할 것으로 기대된다.