IonQ와 워싱턴 대학교, 우주의 물질-반물질 불균형과 관련된 과정 시뮬레이션

IonQ, 양자컴퓨터로 '중성미자 없는 이중 베타 붕괴' 시뮬레이션 성공… 우주 물질-반물질 불균형 규명 실마리 [서울=뉴시스] 김종민 기자 = 양자컴퓨팅 선도 기업 IonQ(NYSE: IONQ)가 우주의 물질-반물질 불균형을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있는 '중성미자 없는 이중 베타 붕괴(neutrinoless double-beta decay)' 과정을 양자컴퓨터로 최초 시뮬레이션했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 접근하기 어려운 근본적인 물리학 현상을 모델링할 수 있다는 가능성을 다시 한번 입증하며, 우주가 왜 물질로 주로 구성되어 있는지에 대한 오랜 질문에 답하는 새로운 길을 열었다. 빅뱅 당시에는 물질과 반물질이 동일한 양으로 생성되었어야 하지만, 현재 우리가 관측하는 우주는 대부분 물질로 이루어져 있고 반물질은 극히 적다. 과학자들은 이러한 불균형의 근본 원인을 규명하기 위해 노력해왔다. IonQ의 Forte Enterprise 양자 시스템을 활용한 이번 시뮬레이션은 '렙톤 수 위반(lepton-number violation)'이라는 현상을 실시간으로 관측했다. 이는 양자컴퓨터에서 직접 시뮬레이션된 전례가 없는 현상이다. 가설로만 존재하던 '중성미자 없는 이중 베타 붕괴' 핵 과정은 중성미자가 자체의 반입자이며, 이는 입자 물리학의 표준 모형 원리를 위배한다는 것을 시사한다. 이 기술을 통해 과학자들은 10^{-24}초라는 극히 짧은 시간 규모에서 핵 역학을 시뮬레이션할 수 있게 되었다. 이는 1990년대 화학 반응에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 화학 결합의 형성 및 파괴 과정에서 원자의 재배열 방식을 밝혀낸 펨토초(10^{-15}초) 영상 시연보다도 훨씬 짧은 시간이다. IonQ의 Niccolo de Masi CEO는 "이번 성과는 양자컴퓨팅의 가능성을 확장하려는 IonQ의 노력을 강화한다"며 "자연에서는 관측된 적이 없을 정도로 희귀한 근본적인 물리학 과정을 시뮬레이션함으로써, 우리는 양자컴퓨터가 단순한 이론적 도구가 아니라 발견의 엔진임을 보여주고 있다"고 말했다. 이번 시뮬레이션은 워싱턴 대학교 양자 시뮬레이션 연구소(IQuS)와 미국 에너지부 양자 과학 센터 연구진과의 협력을 통해 진행되었다. 연구팀은 IonQ의 트랩 이온 아키텍처의 핵심인 모든-대-모든 연결성(all-to-all connectivity)과 네이티브 게이트를 최대한 활용하도록 맞춤 설계된 접근 방식을 채택했다. 이를 통해 32개의 큐비트와 오류 완화를 위해 추가로 4개의 큐비트를 사용한 Forte-세대 시스템에 문제를 효율적으로 매핑할 수 있었다. 새로운 양자 회로 컴파일 및 오류 완화 기술은 2,356개의 2큐비트 게이트를 사용하는 대규모 시뮬레이션을 지원하여 높은 정밀도의 관측 결과를 도출했다. 워싱턴 대학교 물리학과 교수이자 IQuS 책임자인 Martin Savage는 "이번 연구는 요토초(10^{-24}초) 시간 규모에서 핵의 근본적이고 복잡한 붕괴 모드에서 쿼크와 글루온의 재배열을 탐구하는 중요한 첫걸음을 나타낸다"며 "이는 IonQ와 IQuS 간의 1년간의 공동 설계 노력의 결실"이라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 핵 및 입자 물리학에서 양자 모델링의 사용을 검증할 뿐만 아니라, 렙톤 수 위반이 발생할 수 있는 다른 과정에 대한 미래 연구의 발판을 마련한다. IonQ는 하드웨어 역량이 성장함에 따라 이러한 기술을 확장하여 다른 대칭성 파괴 현상을 탐구하고 양자 기반 기초 물리학의 최전선을 발전시키는 것을 목표로 한다. IonQ는 고성능 시스템을 제공하여 세계에서 가장 크고 복잡한 상업 및 연구 사용 사례를 해결하는 데 주력하고 있다. 현재 세대 양자 컴퓨터인 IonQ Forte와 IonQ Forte Enterprise는 회사의 기술 로드맵의 최전선에 있으며, 2030년까지 200만 개의 물리 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터 구축이라는 목표를 향해 나아가고 있다. IonQ의 혁신적인 기술과 빠른 성장은 뉴스위크, 포브스, 빌트 인 등 유수의 매체로부터 인정받았다. 주요 클라우드 제공업체를 통해 이용 가능한 IonQ는 양자 컴퓨팅을 그 어느 때보다 접근 가능하고 영향력 있게 만들고 있다. IonQ에 대한 자세한 내용은 IonQ.com에서 확인할 수 있다.