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[IT뉴스][표지로 읽는 과학] 구글, 양자얽힘 관측해 '양자 우위' 증명

온카뱅크관리자

2025-10-25 08:07:29

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 네이처 제공
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 이번 주 국제학술지 '네이처' 표지에는 여러 개의 타일이 놓여 있는 모습이 담겼다. 복잡한 양자 시스템이 어떻게 정보를 퍼뜨리고 얽히는지를 보여주는 그림이다. 양자 시스템을 구성하는 여러 양자 원소의 상호작용 역학을 탐구하고 규명하는 것은 쉽지 않다. 
 구글 퀀텀 AI 연구팀이 초전도 양자 프로세서(양자칩)을 사용해 한 번 흩어진 양자정보가 다시 모이는 과정을 관측한 연구결과를 22일(현지시간) 네이처에 공개했다. 이번 연구는 실질적 문제에서 '양자우위' 가능성을 제시한 중요한 진전으로 평가된다. 
 양자 시스템에서는 입자들이 서로 얽히며 복잡하게 움직인다. 시간이 지나면 이런 얽힘 때문에 각 입자의 상태를 따로 알아보기 어려워진다. 이 같은 복잡한 얽힘을 ‘양자 얽힘(scrambling)’이라고 부른다.
 양자 얽힘은 양자컴퓨터·양자통신·양자센서의 핵심이다. 양자 얽힘에서 시간이 지나면 시스템이 '카오스 상태'로 바뀌는 시점은 언제인지, 얽힘을 통제하거나 되돌릴 방법은 없는지 등을 이해해야 양자컴퓨터 성능을 높일 수 있기 때문이다. 
 문제는 일반적인 방법으로는 양자 얽힘을 이해하기는 거의 불가능하다는 점이다. 얽힘이 너무 빠르고 시간 순서가 뒤섞인 채로 양자의 상호작용이 복잡하게 진행돼서 시간 순서대로 입자 흐름을 측정하는 고전적 방법으로 흐름을 재구성하기 어렵다.
 연구팀은 양자컴퓨터의 기본 정보단위인 큐비트(qubit) 65개로 구성된 초전도 양자 프로세서를 활용해 양자회로를 ‘시간 되감기’ 방식으로 조작해 한 번 흩어진 양자정보가 다시 응집되는 과정을 실험적으로 관측했다.
 특히 특별한 양자 측정값인 ‘시간 비정렬 상관함수(OTOC, Out-of-Time-Order Correlator)’를 직접 측정해 양자정보가 실제로 되돌아올 수 있음을 확인했다. OTOC란 시간 순서가 뒤섞인 양자의 상호작용을 수학적으로 표현한 것이다. OTOC는 카오스 상태와 양자 얽힘을 측정할 수 있는 지표다. 
 연구팀은 OTOC를 측정하며 양자 시스템에서 입자가 서로 간섭하며 신호를 켜는 상호작용을 발견했다. 여러 양자 상태가 겹치며 신호가 강화되는 '건설적 간섭(constructive interference)' 현상을 활용해 완전히 흩어진 듯 보이던 정보가 다시 모일 수 있음을 입증한 것이다. 
 고전 컴퓨터로 OTOC를 관측하기 어렵다. 연구팀은 65큐비트 회로의 2차 OTOC를 미국 오크리지국립연구소의 슈퍼컴퓨터 '프론티어'로 시뮬레이션할 경우 약 3.2년이 걸릴 것으로 추정했다.
 반면 양자컴퓨터에서는 약 2.1시간 만에 완료했다. 2차 OTOC는 OTOC 측정을 한 단계 확장해 양자정보의 되돌림을 여러 시간 구간에서 교차 관찰함으로써 미세한 상호작용까지 포착하는 고차 지표다. 
 OTOC 측정 결과를 일반 컴퓨터로 재현하기는 대단히 어렵다. 그동안 구글이나 IBM이 사용했던 방법 외에도 OTOC 측정이 양자 우월성을 증명하는 새로운 방법으로 활용될 수 있다는 평가다.
 또 2차 OTOC 데이터를 활용해 물리 시스템의 에너지 및 상호작용 구조를 역으로 추정하는 '해밀토니언 학습(Hamiltonian learning)'에 활용 가능함을 입증해 양자정보 되돌림 기술이 실제 물리계 분석에 적용될 수 있음을 시사했다.
 연구성과는 양자 우위를 보여주는 결과로 평가된다. 양자 우위란 기존 컴퓨터가 현실적인 시간 안에 해결할 수 없는 문제를 양자 컴퓨터가 처리할 수 있는 능력을 의미한다. 지금까지의 양자우위 연구는 주로 ‘무작위 회로 샘플링’ 같은 활용성 낮은 문제에 집중됐다. 
 &lt;참고자료&gt; -doi.org/10.1038/s41586-025-09526-6
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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