[요약] 2021년 7월에 하버드(Harvard)-MIT 공동 연구팀이 256큐비트(Qubit) 양자 시뮬레이터를 개발해 여러 가지 양자역학 현상과 양자 요동을 관찰했다. 2019년 구글은 53 큐비트의 양자 컴퓨터로 양자우위를 입증했다. 2017년 IBM은 50큐비트 시제품을 발표했다.
그러나 누구도 현실 문제들인 빅데이터 분석이나 예측/추천, 머신러닝, 고령화/저출산/식량난/코로나 백신 개발 등을 큐비트에 엔코딩해 실험하지는 못했다. 이를 해결하려면 큐비트 수를 1,000~1백만 개 이상으로 늘려야 하고, 나노초~마이크로초의 결맞음 시간을 대폭 늘려야 한다.
이들의 양자 컴퓨터 개발사례를 통해 양자 컴퓨터/컴퓨팅의 오늘과 내일을 진단해보고 인사이트를 찾고자 한다. 결론은 양자 컴퓨터/컴퓨팅은 이제 시작이다(this is just the beginning)라는 점이다. 따라서 우리에게도 기회는 있다.
2. 256큐비트를 프로그래밍 할 수 있는 양자 시뮬레이터 개발(2021)
연구 방법 및 결과
하버드대를 중심으로 MIT, 스탠퍼드대, UC 버클리대 공동연구팀이 256(16×16 array) 큐비트(Qubits)를 프로그램 할 수 있는 2차원 반-강자성체(antiferromagnetic) 양자 시뮬레이터(programmable quantum simulator)라 불리는 특별한 양자 컴퓨터를 개발했다.
연구 결과(논문명: Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator)는 2021년 7월 국제 학술지 네이처(Nature)에 발표했다.
이 연구를 주도한 곳은 하버드-MIT의 초저온 아톰(원자) 센터(Center for Ultracold Atoms)다.
연구원들은 중성 원자의 2차원 배열에서 프로그램 할 수 있는 양자 시뮬레이터를 데모했다. 레이저 빔을 쏘아 원자 흥분(atomic excitation)을 일으키고, 결맞음 있는(coherent) 리드버그 상태(Rydberg states, 중성인 원자에 레이저 빔을 쏘아 전자적으로 흥분 상태에 이르게 하는)에 이르게 하여 조율되고 제어되는 강한 양자 상호작용을 관찰했다.
이러한 방법으로 64큐비트에서 256큐비트까지 고-충실도(high-fidelity)로 조율되는 상호작용으로 양자스핀모델(quantum spin model)을 이해할 수 있었다.
이미 이 시뮬레이터는 연구원들에게 개방되어 전에는 알지 못했던 물질(원자)의 전혀 다른 양자 상태를 관찰하고, 양자 위상 변화(quantum phase transition)를 연구해 자성이 어떻게 양자 수준에서 작동하는지를 정밀하게 관찰할 수 있다.
이와 같은 실험을 통해 물질의 성질 이면에 깔린 양자 물리학에 대한 통찰력을 제공하고 과학자들에게 이전과 다른 성질의 새로운 물질을 디자인하게 해준다.
이번 연구 결과는 2017년에 개발된 플랫폼의 상당히 업그레이드된 버전인데, 2017년에는 51큐비트 규모에 도달했었다. 2017년에는 초저온 루비듐 원자들(ultra-cold rubidium atoms)을 포착하고 광학 족집게(optical tweezers)라 불리는 레이저 빔을 통해 1차원으로 특정 순서로 배열했었다.
초저온이란 절대 온도 0도 가까이 냉각시키면 전기 저항이 ‘0’에 이르게 되어 모든 루비듐 원자들이 같은 질서 상태인 같은 파동으로 움직이는 현상인 결맞음(Coherence)의 초전도가 되는 이른바 아인슈타인 응축(BEC, Bose–Einstein condensate)에 이르게 된다.
이를테면 앞의 원자가 춤을 추면 뒤따라가는 원자들도 춤을 추는 것이다. 이때 레이저빔으로 파장이 다른 빛을 비추면 어떤 놈은 흥분상태(excited state)가 되고 어떤 놈은 풀이 죽은(기저, ground state) 상태가 된다.
하이젠베르크는 불확정 원리(Heisenberg's uncertainty principle)에서 이를 양자 상태에서 에너지양의 일시적 변화(random change in the amount of energy)라고 했는데, 이를 양자 요동(quantum fluctuations)이라 한다. 결국 이렇게 냉각된 원자들은 빛과 한 쌍으로 작용하게 된다.
그러나 이번 256큐비트 시스템은 공간-빛 변조기(spatial light modulator, SLM)를 이용한 진공 셀(vacuum cell)에서 광학 족집게로 2차원 배열이다. 이는 달성 가능한 시스템 크기를 2017년 51큐비트에서 256큐비트로 규모를 증가시킬 수 있었다.
초기에는 초저온 루비듐 원자들을 1,000개의 광학 족집게로 일일이 무작위로 이동시켰다. 이동 확률은 50~60%였다. 즉 자기-광학 트랩(magneto-optical trap, MOT)으로부터 광학 족집게 내로 무작위로 가뒀다(Trapped).
그다음 한 쌍의 초음파 광편향기(acoustooptical deflectors, AODs)로 조율되는 두 번째 움직이는 광학 족집게를 이용해 목표 기하학(target geometries) 위치로 이동시켜 초기 무작위성을 제거해 프로그램이 가능하고 결점이 없는(defect-free patterns) 2차원 패턴으로 배열했다.
그다음 레이저 빔을 쏘아 원자들이 흥분된 리드버그 상태(Rydberg states)에 이르러, 루비듐 원자 궤도 가장 밖에서 도는 전자는 핵으로부터 가장 멀리 떨어지게 되어 각각 원자 사이에 상호작용을 매우 강하게 고-효율적으로 조율할 수 있었다. 즉, 원자 큐빗 위치와 일관된 양자 조작에 대한 완전한 통제가 가능했다. 이를 장거리 상호작용(Long-range interactions)이라 한다.
위 그림을 보면 원자들의 큐비트들은 전자적으로 기저 상태(ground state)인 g와 매우 흥분된 상태(highly-excited)인 r로 엔코딩되는데, 두 개의 420nm와 1,013nm의 레이저 빔을 각각의 원자들에 쏘아 결맞음의 두개의 광자-전이(coherent two-photon transition)인 g와 r의 라이트 시트(light sheets)인 데이터(readout)를 만들었다. 이때 형광 이미징(fluorescence imaging)으로 데이터를 읽는데 r은 손실/잃음(loss)으로 감지되고 오로지 g의 원자들만 감지되어 r은 붉은색 원으로 표시했다. 감지 충실도(Detection fidelity)는 99%를 넘었다.
이런 방식으로 광학 족집게를 이용해 연구원들은 냉각된 원자들을 사각형 격자, 벌집 격자, 삼각형 격자 등 큐비트들 사이를 다양하게 배열하고 연결할 수 있었다. 각각 다른 형태의 배열은 각각 다른 원자들의 상호작용 특징을 나타냈다.
이러한 2차원 병렬 배열에 걸리는 시간은 50~100 밀리초에 불과했다. 이것을 가능케 한 것은 공간-빛 변조기와 광학 족집게 및 레이저 빔으로 원자 큐비트들의 위치와 일관성 있는 양자 조작을 제어할 수 있었다.
그다음 연구원들은 6,767번의 반복 실험을 통해 양자 상호작용에서 일어나는 여러 가지 기존과 다른 양자현상과 양자 위상 변화(quantum phase transition)를 만들고 관찰했다.
바둑판 위상(checkerboard phase)을 이용해 12×12배열 시뮬레이터를 벤치마킹하고, 사각형 격자 위상을 도형으로 그려냈으며, 16×16사각형 배열에서 바둑판 위상과 줄 위상(striated phase)과 스타 위상(star phase)으로 양자 위상 변화를 관찰하고, 줄 위상에서 양자 요동을 관찰했다.
줄 위상에서의 2큐비트 셀에서 에너지의 일시적 변화인 양자 요동은 (0,0)에서 리드버그 흥분 상태가 매우 큰 확률로 나타났고, 근처 이웃인 (0,1)과 (1,0)에서는 매우 강한 리드버그 때문에 흥분이 억제됐다. (1,1)은 에너지를 낮춰 기저 상태가 되어, 결국 기저 상태(1,1)와 흥분의 리드버그 상태 사이에(0,0) 결맞음 중첩을 형성했다.
바둑판 위상을 이용해 12×12배열 시뮬레이터를 벤치마킹할 때 결맞음 양자 상태 유지 시간(Coherence time)은 3 마이크로초(microseconds)였으며, 16×16사각형 배열에서의 바둑판 위상의 양자 위상 변화를 관찰할 때의 양자 상태의 유지 시간은 2.27 마이크로초였다.
이번 연구는 초저온 아톰(원자) 센터, 미국 국립과학재단(NSF), 미국 에너지부(DOE), 미국 국방부 Vannevar Bush Faculty Fellowship, 해군연구소, MURI 육군연구소, 국방과학연구소 등이 지원했다.
기대
문제는 50큐비트를 넘어 대규모 양자 컴퓨팅을 구축하느냐에 달려 있는데, 1,000큐비트 구축을 향한 주요 진전을 이룩한 것이다.
이번 연구는 다음 연구에 발판을 제공하고 있다. 양자물질공학, 이국적인 양자 위상(exotic quantum phases) 조사, 비평형 얽힘의 역학(non-equilibrium entanglement dynamic) 즉 양자 순간이동, 양자 로직 및 알고리즘, 효율적인 하드웨어 등이다. 이외에도 통신, 재무, 화학, 의학, 계측학 등 주요 분야에 도움을 줄 것으로 기대된다.
이를 주도한(교신저자) 하버드대의 미카일 루킨(Mikhail Lukin) 교수는 “우리는 완전히 새로운 양자 세계에 진입했다”라고 말한다. 제1저자인 하버드대 물리학과 대학원생인 에바디(Sepehr Ebadi)는 “256큐비트로 테양계에 존재하는 원자의 숫자보다도 더욱 많은 양자 상태를 구현했다”라고 말한다. 참고로 현존하는 원자는 현재 118개다.
이 양자 시뮬레이터를 어디에 어떻게 응용하느냐가 최대 관건이다. 현재 학문 연구를 넘어 현실 세계 문제들을 푸는 데 집중 연구하고 있다. 이를테면 현실 세계 문제들을 어떻게 큐비트 위에 인코딩(Encoding) 하느냐다.
극복해야 할 한계와 도전
필자가 생각하는 극복해야 할 한계와 도전은 다음과 같다.
○ 여러 배열 형태의 2차원 256큐비트 시뮬레이터로 여러 양자 위상 및 현상을 만들고 관찰만 했지, 양자 컴퓨터가 기존의 슈퍼컴퓨터보다 우위에 있다는 양자우위(Quantum supremacy or quantum advantage)를 실제 검증하지 못했다는 점이다.
○ 실제 세계의 문제들인 빅데이터 분석이나 예측/추천, 머신러닝, 고령화/저출산/식량난/코로나 백신 등을 큐비트에 엔코딩해 실험하지는 못했다는 점이다. 처음 시도한 256큐비트라 1,000~1백만 큐비트 이상에서는 가능하리라 본다. 이런 점에서 256큐비트도 이제 시작이라는 점이다.
○ 우선 현존하는 그리고 현재 기술의 양자컴퓨터들은 절대 온도 0도(영하 273도) 가까이 초저온에서만 작동하는 초전도체를 이용하고 그것도 진공 상태에서 운영된다는 점이다. 따라서 이번 실험도 절대 온도 0도 가까이 초저온 루비듐 원자라는 점이다. 그러므로 만약 상용화한들 일반인들에게는 그림의 떡이라는 것이다.
초저온을 상온(15도~22도)으로 바꾸어야 하는데 이에는 엄청난 시간이 걸릴 것이다. 이 혁신을 이룩하지 못하면 1,000큐비트를 달성해 상용화한들 현재 슈퍼컴퓨터처럼 연구소-기업들이 돈을 지불하고 사용하게 될 것이라는 점이다.
○ 이번 실험 중 하나는 줄 위상에서 양자 요동을 관찰했다. 이는 중첩(Superposition) 상태인 (0,0)과 (1,1) 만을 관찰했다는 것이다. (0,1)과 (1,0)의 얽힘(entanglement)에서는 매우 강한 리드버그 때문에 흥분이 억제되어 관찰하지 못했다는 점이다.
앞으로 얽힘에도 도전해서 양자 요동이 어떻게 일어나는지를 관찰해야 하고 얽힘의 핵심인 양자 순간이동에도 도전해야 한다.
○ 많은 연구자가 루비듐 원자에 집중 연구하고 있는데, 다른 원자들에 대한 실험과 양자 성질을 보이는 분자(molecule) 수준에도 도전한다면 추가적인 특징들을 발견할 것이고 새로운 애플리케이션(응용 프로그램)도 발견할 것이다.
○ 결맞음 양자 상태 유지 시간(Coherence time)은 2~3마이크로초(microseconds)였는데, 2의 256승 큐비트들을 연결했다. 이 짧은 시간에 양자현상을 관찰할 수는 있지만, 실제 문제들을 인코딩해서 실험하려면 마이크로초를 1,000배 늘린 밀리초(ms)로 유지 시간을 대폭 늘려야 한다.
○ 지금은 2차원 배열이지만 3차원 배열에도 도전해야 한다.
연구실 랩 상황
왼쪽부터 블루브스테인(Dolev Bluvstein), 교신 저자인 루킨(Mikhail Lukin), 그리고 에바티(Sepehr Ebadi)가 256큐비트 양자 시뮬레이터를 개발. 에바디가 광학 족집게를 조율하고 있음. (필자 코멘트) 랩 수준의 시뮬레이터가 밖으로 나오는데 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상. Credit: Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer via Harvard (계속)
아스팩미래기술경영연구소: 차원용 공학박사/김들풀 대표/김철회 수석연구원
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