AI 원자 배열 혁신, 양자컴퓨팅 새 지평 열리나

양자 시스템 시뮬레이션과 양자컴퓨터 개발은 원자를 정밀하게 배열하는 능력에 달려 있다. 지금까지 물리학자들은 광학 핀셋(optical tweezers)을 이용해 원자를 잡아 정렬해왔지만, 수천 개 원자를 결함 없이 배치하는 데에는 한계가 있었다.

중국과학기술대(USTC)와 상하이 인공지능 연구소 공동연구팀은 Physical Review Letters에 발표한 최신 연구에서 AI 기반 병렬 재배치 기법을 통해 이러한 난제를 돌파했다. 연구진은 홀로그램을 발생시키는 공간광 변조기(SLM)와 AI 알고리즘을 결합해 수천 개의 원자를 동시에 이동시키며 결함 없는 2D·3D 배열을 형성하는 데 성공했다. 특히 2024개 원자를 단 60밀리초 내에 정렬했으며, 배열 크기와 관계없이 소요 시간이 일정하게 유지되는 것이 특징이다.

“AI를 접목한 이유는 대규모 원자를 빠르고 확장 가능하게 배열하는 과제를 해결하기 위해서였습니다. 이번 성과는 ‘AI for Quantum(AI4Q)’의 좋은 사례입니다.”

루 차오양(공동교신저자)

“AI 모델이 핀셋 배열의 위치와 위상을 실시간으로 제어해 모든 원자를 동시에 이동시킵니다. 향후 1만~10만 개 원자 배열도 가능합니다.”

종 한센(공동저자)

무엇이 새로운가

• 완전 병렬 이동: 기존의 순차 이동과 달리 모든 원자를 동시에 재배치
• 실시간 홀로그램 제어: SLM에 투영되는 컴퓨터 생성 홀로그램으로 트랩 위치·위상 제어
• 상수 시간 성능: 배열 크기와 무관하게 일정한 시간 내 재배치
• 대규모 확장성: 수천 개에서 수만·수십만 개 원자 배열로 자연 확장

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이번 성과는 결함 없는 중성 원자 어레이를 빠르게 구성함으로써 양자 시뮬레이션과 양자컴퓨팅의 실용화를 앞당길 핵심 기반 기술로 평가된다. 연구팀은 다음 단계로 이 플랫폼에서 양자 오류 수정과 내결함성 양자컴퓨팅을 시연하는 것을 목표로 하고 있으며, 안정적인 대규모 원자 배열은 고신뢰도 연산과 스케일업에 직접적으로 기여할 것으로 기대된다.

또한 본 AI 프레임워크는 임의로 로드된 원자 분포를 분석해 결함(빈 자리)을 채우는 최적 동선을 계산하고, 이를 N단계의 미세 이동으로 분해해 실행한다. 각 단계마다 AI가 산출한 홀로그램을 SLM에 투영해 트랩을 정밀 제어함으로써, 대규모 배열에서도 높은 수율과 재현성을 확보했다.

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출처

Rui Lin et al., “AI-Enabled Parallel Assembly of Thousands of Defect-Free Neutral Atom Arrays,” Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2ym8-vs82; arXiv: 2412.14647