자성 양자 시뮬 (새 탭에서 열림)

구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI) 연구팀은 69큐비트 프로세서를 활용해 디지털의 유연성과 아날로그의 속도를 결합한 새로운 하이브리드 양자 시뮬레이션 플랫폼을 개발했습니다. 이 플랫폼은 양자 얽힘을 빠르게 생성하면서도 노이즈의 영향을 최소화하여, 기존 물리 이론의 예외 사례를 발견하는 등 고전 컴퓨터로는 불가능한 정밀한 시뮬레이션을 수행해냈습니다. 이번 연구는 양자 자성(Quantum Magnetism) 모델 연구를 통해 복잡한 물리 시스템을 해석하는 양자 시뮬레이션의 새로운 가능성을 제시했습니다.

아날로그와 디지털 방식의 결합을 통한 시뮬레이션 최적화

• 디지털 시뮬레이션은 개별 큐비트 간의 연산을 순차적으로 수행하여 높은 유연성을 제공하지만, 한 번에 하나의 연결만 활성화할 수 있어 양자 상태를 구현하는 속도가 느리다는 단점이 있습니다.
• 아날로그 시뮬레이션은 모든 큐비트 간의 결합을 병렬로 활성화하여 실제 물리적 역학처럼 연속적인 변화를 시뮬레이션하며, 이를 통해 양자 컴퓨팅의 핵심 자원인 '양자 얽힘'을 매우 빠르게 형성합니다.
• 연구팀은 상태 준비와 측정에는 디지털 방식을, 복잡한 양자 상태로의 진화에는 아날로그 방식을 사용하는 하이브리드 접근법을 통해 두 방식의 장점을 모두 확보했습니다.

정밀한 하드웨어 모델링을 통한 캘리브레이션 난제 해결

• 초전도 양자 하드웨어에서 아날로그 시뮬레이션을 구현할 때 가장 큰 장애물은 여러 커플러(coupler)가 동시에 작동하며 서로 간섭하는 현상을 제어하는 캘리브레이션 문제였습니다.
• 연구팀은 하드웨어의 물리적 특성을 극도로 정밀하게 모델링하고, 세심하게 설계된 일련의 실험을 결합한 새로운 캘리브레이션 기법을 개발하여 이 문제를 해결했습니다.
• 그 결과, 아날로그 모드에서도 디지털 연산에 버금가는 높은 정확도를 달성했으며, 입자가 큐비트 사이를 이동할 때 발생하는 오류율을 0.1% 수준으로 낮추는 데 성공했습니다.

고전 슈퍼컴퓨터를 압도하는 성능과 과학적 발견

• 무작위 회로 샘플링(Random Circuit Sampling) 벤치마크를 통해 성능을 검증한 결과, 아날로그 시뮬레이션은 노이즈가 쌓이기 전 매우 빠른 속도로 복잡한 혼돈 상태(Chaotic State)에 도달했습니다.
• 연구팀은 이 실험을 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 '프런티어(Frontier)'로 시뮬레이션할 경우, 동일한 정확도를 얻기 위해 약 100만 년 이상의 시간이 소요될 것으로 추정했습니다.
• 이러한 고성능을 바탕으로 양자 자성 모델의 열역학적 특성과 임계 현상을 연구했으며, 널리 통용되던 물리 이론에 부합하지 않는 이례적인 현상을 발견하는 성과를 거두었습니다.

이번 연구는 양자 하드웨어를 단순히 계산기가 아닌 정밀한 물리 실험 장치로 활용할 수 있음을 입증했습니다. 속도와 유연성을 동시에 잡은 하이브리드 플랫폼은 향후 신소재 설계나 복잡한 양자 역학 시스템 연구에서 고전 컴퓨터의 한계를 넘어서는 핵심 도구가 될 것으로 기대됩니다.