양자컴퓨터 시뮬레이션의 현재 한계
Focus: Simulations Using a Quantum Computer Show the Technology’s Current Limits

양자컴퓨터의 큐빗 그 자체가 양자 개체이므로 양자컴퓨터는 분자와 재료 등 양자역학 원리에 지배되는 계를 바로 시뮬레이션할 수 있을 것만 같다. 기존 실험들은 양자컴퓨터의 강력함을 시연하기 위해 작업을 조심스럽게 골랐다. 그러나 새로운 연구는 원자 클러스터의 에너지 상태를 구한다거나 하는 실제 문제들에 대해 양자 시뮬레이션이 고전 컴퓨터보다 나은 것이 없음을 보였다.1) 이 결과는 양자컴퓨터가 화학자와 재료과학자에게 현시점에서 얼마나 유용한지 판단하기 위한 벤치마크를 제공한다.

Richard Feynman은 1982년 양자 컴퓨터에 대한 아이디어를 제안하여 양자 물질의 속성을 계산하는 데 사용될 수 있다고 제안하였다. 오늘날 양자 프로세서는 수백 개의 양자비트(큐빗)로 사용할 수 있으며 일부는 원칙적으로 어떤 고전 컴퓨터로써도 표현할 수 없는 양자 상태를 표현할 수 있다. 구글에서 개발한 53큐빗 Sycamore 프로세서는 현재의 컴퓨터에서 수천 년이 걸릴 법한 계산을 며칠 만에 끝낼 잠재성을 보였다.2) 그러나 이러한 “양자 우월성”은 이러한 장치의 강점을 발휘하도록 선택된 계산 작업에 대해서만 달성되었다. 이런 양자컴퓨터는 분자와 물질을 연구하는 연구자들이 실제로 풀고 싶어 하는 말하자면 일상적인 도전에 대해 얼마나 잘 대처할까?

칼텍의 Garnet Chan과 연구팀은 Sycamore에 기반한 구글의 53큐빗 프로세서 “Weber”를 사용하여 분자와 물질의 시뮬레이션을 해봄으로써 이러한 질문에 대답하기 시작했다. “계의 복잡함과 고전 알고리듬의 정확함을 알기에, 화학적으로 어떤 새로운 것을 알기를 기대하는 것은 아니다”라고 Chan은 말한다. “우리의 목표는 물리적으로 의미가 있는 그러한 양자 회로에 대해서 Sycamore 플랫폼의 성능을 이해하는 것이다”.

연구팀은 양자 회로 구현의 용이성을 전혀 고려하지 않고 현재 연구 이슈인 두 문제를 골랐다. 첫 번째는 효소 질소 분해 효소의 촉매 코어에서 발견되는 철-황 원자 클러스터의 에너지 상태를 계산하는 것이다. 이 효소는 질소 고정이라는 중요한 생물학적 과정의 첫 번째 단계로 질소 분자의 강한 결합을 끊는다. 이러한 과정의 화학을 이해하는 것은 화학 산업을 위한 인공 질소-고정 촉매를 개발하는 데 필요하다. 둘째, 연구팀은 저온에서 스핀 액체라고 불리는 기묘한 양자 상태를 가지는 것으로 생각되는3) 물질인 \(\small \alpha\)-RuCl₃에서 자기 스핀의 집합적 거동을 알아내려 했다.

두 계의 바닥 전자 상태와 저-에너지 들뜸은 원자의 전자스핀이 서로 어떻게 상호작용하는지에 달려있다. 이러한 스핀은 하나의 큐빗으로 취급할 수 있고 스핀 간 상호작용은 두 계의 구조를 반영한 회로에서 큐빗 간 결합으로써 나타낼 수 있다.

양자 시뮬레이션에서 중대한 장애물 중 하나는 잡음이다. 잡음은 양자 논리 연산을 담당하는 게이트의 스위칭과 결과 상태를 읽어내는 부분 모두에서 발생하는 무작위적 오류이다. 이러한 오류는 게이트를 거치면서 누적된다. 철-황 클러스터에서 긴 거리 상호작용을 기술하기 위해서는 아주 많은 게이트가 필요한데, 연구팀은 300개 이상의 게이트를 쓰는 시뮬레이션은 잡음에 묻혀버림을 발견했다.

이러한 장애 때문에 Weber에서의 시뮬레이션은 상당히 제한적이다. 원자 6의 철-황 클러스터에서는 \(\small \alpha\)-RuCl₃의 열용량을 어느 정도 계산할 수 있지만 10개가 되면 잡음이 계산을 압도한다. 또한, 게이트 연산의 제한으로 인해 Weber의 양자 자원 중 1/50 정도만 쓸 수 있었는데, 연구팀이 Weber 회로 설계에 더 잘 맞는 다른 모형을 골랐을 때는 자원 사용량이 전체의 절반으로 증가하였다.

Chan은 잡음을 감소시키고 오류를 교정하는 더 좋은 방법이 나올 때까지는 이런 문제들을 양자 회로로 풀기가 어려울 거라 말한다. 현재 기술로는 완벽한 양자 오류 교정은 불가능하다.

토론토 대학의 양자컴퓨팅 전문가인 Alán Aspuru-Guzik은 “이 결과는 현재 기술이 도달할 수 있는 극한이고, 양자컴퓨터에서 극복해야 할 장애물을 보여준다”라고 하면서도, 2000년의 최초 양자 컴퓨터 이래 계산 능력은 꾸준히 증가해왔다고 말한다. 터프트 대학의 양자 시뮬레이션 전문가인 Peter Love는 이렇게 말한다. “놀라우면서도 두렵다. 2005년의 예상과 비교하면 이 결과들은 굉장하지만, 아직 할 일이 많음을 보여준다”.

초전도의 홀수형을 드러내다
Synopsis: Uncovering an Odd Form of Superconductivity

한 세기가 넘도록 물리학자들은 저항 없이 전기가 흐르는 어떤 물질의 특성인 초전도의 근원에 대해 고민해왔다. 통상적 초전도는 오늘날 잘 이해하고 있지만, 다른 형태의 이상 초전도에 대해서는 여전히 잘 이해하지 못하고 있다. 스웨덴 웁살라 대학의 Debmalya Chakraborty와 Annica Black-Schaffer는 최근 이상 초전도의 한 형태에 대한 실험 측정법을 제안했다.4) 연구팀은 그들의 방법이 초전도 현상에 대한 훨씬 더 나은 이해를 가능하게 할 것이라 기대한다.

초전도의 숨겨진 구조는 쿠퍼쌍이라고 불리는 전자 두 개가 결합한 상태의 형성이다. 통상 초전도는 쿠퍼쌍이 시간에 대해 짝수 대칭성을 갖는 짝수-주파수 짝짓기에 대한 것이지만, Chakraborty와 Black-Schaffer는 시간에 대해 홀수 대칭성을 가진 홀수-주파수 짝짓기에 관심을 두었다. 홀수-주파수 짝짓기는 자성체와 초전도체를 결합한 구조 등 많은 초전도체에 있으리라 생각되지만, 지금까지 직접적으로 관측 증명할 방법이 없었다.

Chakraborty와 Black-Schaffer가 제안한 접근법은 주사 터널링 현미경과 분광법을 초전도체에 활용하여 측정값을 푸리에 변환하여 살펴보는 것이다. 그 결과는 초전도체에 존재하는 불순물에 의한 양자 간섭을 보여주고, 이로부터 홀수-주파수 짝짓기의 존재 여부를 알려주는 특징을 찾을 수 있다는 것이다. 연구팀은 그들의 방법이 더 넓은 범위의 초전도체에 적용할 수 있고 어떻게 홀수-주파수 짝짓기가 초전도 상태의 안정성 같은 물질의 중요 특성에 영향을 끼치는지 연구하는 데 사용할 수 있다고 말한다.

과냉각 물의 두 얼굴
Synopsis: The Two Faces of Supercooled Water

물은 많은 놀라운 특성이 있다. 예를 들면, 물은 자연계에서 고체, 액체, 기체로 존재하는 유일한 물질이다. 1992년 과학자들은 물이 가질 수 있는 이상한 특성 하나를 제시했다. 물을 어는점 이하로 급속 냉동하여 과냉각할 때 고밀도와 저밀도의 액체상 사이에서 전이를 보일 수 있다는 것이다. 최근 프린스턴 대학의 Thomas Gartner와 연구팀은 이러한 액체-액체 전이에 대해 현재까지 연구 중 가장 강력한 컴퓨터 계산을 통한 검증을 보여주었다.5) 연구팀은 그들의 계산과 비슷한 접근법으로써 화학과 물리학의 다른 난제들에 도전할 수 있으리라 기대한다.

이러한 고밀도-저밀도 전이의 존재는 물을 대기압 아래에서 냉각할 때 보이는 열용량과 압축률의 급격한 증가와 같은 액체상의 이례적인 특성을 설명할 수도 있다. 그러나, 실험에서는 측정이 이뤄지기도 전에 과냉각된 물이 얼음으로 변해버려서 실제로 관측하기 어렵다. Gartner와 연구팀은 최신의 분자동역학 시뮬레이션, 제일 원리 계산, 기계학습을 조합한 대규모의 컴퓨터 시뮬레이션으로써 과냉각 물을 연구하였다.

연구팀은 그들의 계산에서 과냉각 물에서 액체-액체 전이의 분명한 증거를 발견했다. 액체-액체 전이는 산업에서 분리 과정에 종종 이용될 뿐만 아니라 세포 기능에서 중요한 역할을 할 것으로 생각되므로, 연구팀은 그들의 연구가 물에 대한 물리화학적 이해의 발전에 더해 더욱 넓은 분야에 영향을 줄 수 있다고 말한다.