양자 컴퓨터의 '심장' 설계도 바뀐다…대만·일본 연구진, 하이브리드 기법 개발

국제 공동 연구진이 개방형 양자 시스템의 복잡한 환경을 전례 없는 정확도로 시뮬레이션할 수 있는 혁신적인 하이브리드 분석 기법을 개발했다고 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트가 29일(현지시각) 보도했다.
이 같은 성과는 그동안 베일에 싸여 있던 강한 시스템-환경 결합 역학을 규명하고, 새로운 양자 물질을 설계하는 데 중대한 분기점이 될 전망이다.


보도에 따르면 대만 국립 청쿵대학교(NCKU) 라이 포롱 교수팀과 국립 핑퉁대학교, 일본 리켄(RIKEN) 양자컴퓨팅센터(RQC) 공동 연구팀은 최근 '반응 좌표 매핑(RC)'과 '비섭동적 계층적 운동 방정식(HEOM)'을 결합한 RC-HEOM 방법론을 발표했다.

기존의 HEOM 방식은 시스템의 메모리 효과를 유지하는 데는 탁월했으나 환경의 물리량에 대한 상세 정보를 제공하지 못했고, 반응 좌표 매핑은 환경 분석에는 유용하지만 계산의 정확도가 떨어지는 단점이 있었다. 연구팀은 이 두 가지 장점을 통합해 시스템과 주변 환경을 동시에 분석할 수 있는 '전체적 관점'의 모델링을 구현해냈다.

퀀텀 자이트가이스트에 따르면 이번 연구의 가장 큰 성과 중 하나는 비마르코프(non-Markovian) 메모리 효과를 모델링하는 시간 척도를 기존보다 6배나 확장했다는 점이다. 시뮬레이션 범위가 약 6피코초까지 늘어남에 따라, 연구진은 강한 시스템-환경 결합에서만 나타나는 미세한 양자 현상들을 관측할 수 있게 됐다.

실제로 연구팀은 이를 '앤더슨 불순물 모델(Anderson Impurity Model)'에 적용해 온도가 낮아짐에 따라 콘도 단일항(Kondo Singlet) 분율이 증가하며 안정적인 양자 상태로 진입하는 과정을 직접 추적하는 데 성공했다. 이는 전도 전자가 국소 자기 모멘트를 차폐하는 과정을 정량적으로 증명한 것으로, 고체 물리학의 오랜 이론적 예측을 실험적 수준의 정밀도로 뒷받침한 것이다.


특히 연구팀은 반응 좌표에 의해 매개되는, 이전에 관찰되지 않았던 '비자명한 결맞음(Coherence) 회복 현상'을 발견했다. 이는 시스템과 주변 환경 사이의 양자 얽힘을 통해 에너지가 전달되고 소산되는 본질적인 과정을 드러낸 것으로, 향후 수명이 긴 양자 상태를 유지하거나 양자 결맞음을 개선한 맞춤형 신소재를 설계하는 데 핵심적인 단서가 될 것으로 보인다.
다만, 현재 RC-HEOM 방식은 높은 계산 비용으로 인해 환경 모드가 10개 미만인 시스템에 우선 적용되고 있다. 연구팀은 향후 고성능 컴퓨팅 자원과 알고리즘 최적화를 통해 실제 자연계의 복잡한 환경 자유도를 모두 포함할 수 있도록 적용 범위를 넓혀갈 계획이다.

이번 연구는 노팅엄 대학교와 막스 플랑크 양자 광학 연구소 등 세계적 기관들과의 협력을 통해 이루어졌으며, 향후 양자점과 전극의 결합, 분자 접합 시뮬레이션 등 차세대 양자 기술 및 재료 과학 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com