D-웨이브 양자컴퓨터, 노벨상 연구 실증 성공

- 2016년 노벨 물리학상을 받은 위상적 상 전이 실증에 성공

▲출처: D-웨이브 시스템즈(D-Wave Systems)

구글과 NASA가 지원하는 캐나다 양자 컴퓨터 기업 D-웨이브 시스템즈(D-Wave Systems)가 개발한 D-웨이브 2048큐빗(Qubit) 양자 어닐링(Quamtum Annealing) 컴퓨터가 노벨 물리학상을 받은 위상적 상전이 실증에 성공했다. 

이번 연구 성과는 네이처(nature)지에 논문명 <Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1,800 qubits>으로 8월 22일 게재됐다.  

D-웨이브에 따르면,  ‘D-Wave 2000Q™ 시스템’을 프로그래밍해 인공 스핀의 2차원 격자를 형성했다. 시뮬레이션 된 시스템에서 관찰된 위상 특성은 양자효과 없이 존재할 수 없으며 이론적인 예측과 밀접하게 일치한다.

2016년 노벨 물리학상에 위상적 상전이(Topological Phase Transition)와 물질의 위상적 상(Topological Phases of Matter)을 이론적으로 발견한 데이비드 사울레스(David Thouless) 미국 워싱턴대 명예교수와 마이클 코스터리츠(Michael Kosterlitz) 브라운대 교수, 덩컨 홀데인(Duncan Haldane) 프린스턴대 교수 3명이 수상했다.

우리 주변에 흔히 널려 있는 고체나 액체, 기체 상태의 물질 상 전이가 2차원에서는 존재하지 않는다는 사실을 이론으로 밝혀냈다. 또 1차원에서 물질의 위상 전이 이론을 확립했다. 이들의 이론은 초전도체와 초유동체, 박막마그네틱 필름과 같은 별난 물질(exotic matter) 상태를 연구하기 위한 돌파구가 마련된 것으로 평가받고 있다.

이번 연구 성과에 대해 2016년 노벨 수상자 마이클 코스터리츠는 “이 논문은 양자컴퓨터를 이용하지 않으면 본질적으로 불가능한 물리적 시스템의 시뮬레이션에서 돌파구를 제시했다”라며. “실험에서는 예상 결과 거의 모든 것이 재현되었다. 이것은 놀라운 성과로 향후 양자 시뮬레이터가 복잡하고 이해하기 어려운 물리적 시스템을 탐구하고 시뮬레이션 결과를 실제 시스템의 모델로 정량적인 세부사항에서 신뢰할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 성과를 높이 평가했다.

▲출처: D-웨이브 시스템즈(Quantum Materials Simulation: Realizing Richard Feynman's Vision) 동영상

이처럼 까다롭고 어려운 양자역학의 현상을 이론대로 실증할 수 있어 앞으로 양자 컴퓨터를 사용, 양자 시뮬레이션으로 새로운 재료 개발 가능성이 나오고 있다. 

그간 D-웨이브 시스템의 양자 어닐링(quamtum annealing)이란 기술의 양자 컴퓨터에 대한 회의적인 시각이 많았으나 이번 연구 성과로 그 가능성을 입증한 셈이다. 

이번 연구성과가 어떤 미래의 문을 열었는지 다음 3분 34초짜리 D-Wave 동영상에서 잘 설명하고 있다.

[번역] 물리학, 화학, 공학 등 과학의 진보는 새로운 ‘재료’ 탐구의 역사였다. 컴퓨터나 스마트폰 등 첨단 제품에서부터 여객기와 로켓, 건강관리에 이르기까지 진보의 가능성은 새로운 재료(소재)의 발견에 크게 의존하고 있다. 이 새로운 재료에 대한 이해가 새로운 기술을 창출하고 미래의 도전 과제 극복에 도움이 된다.

록히드 마틴의 양자역학 연구원 크리스틴 푸덴즈(Kristen Pudenz)는 “록히드 마틴은 재료과학으로 고객의 편의를 높이고자 한다. 예를 들어, 가볍고 강한 소재는 여객기의 생산을 하고, 열악한 환경에도 견딜 소재는 우주선이 다른 행성에 도달하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

새로운 자료를 발견하거나 기존의 자료를 분석할 때 어려움은 물리적 특성을 완벽하게 이해하기 위한 시스템이 지나치게 복잡해질 수 있다. 이러한 물질의 물리적 특성을 고도로 분석하고 시뮬레이션하기 위해 양자 컴퓨터가 유용하다고 보인다.

물질의 양자 역학적 특성을 이해하는 것이 새로운 기술적 진보로 이어질 것으로 간주한다.

D-Wave는 2018년 6월 Science에서 2018년 8월에 Nature에 발표 한 별도의 연구에서 양자 컴퓨터를 이용한 양자 재료의 시뮬레이션에 성공했다.


D-Wave 선임 연구원 앤드류 킹(Andrew King)은 “이 연구는 기존의 컴퓨터는 너무 복잡해서 불가능했던 시뮬레이션에 성공했다. 그 때문에 많은 사람이 연구 성과에 흥분하고 있는 것으로 생각한다”라고 말했다.

우리의 연구는 복잡한 종류의 큐비트 격자와 스핀의 양자 시뮬레이션에서 컴퓨터를 프로그램해 시뮬레이션에 성공하고 있다. 그것은 놀랍게도 빠른 계산이다. 이번 실험처럼 물질의 양자적 상태를 직접적으로 시뮬레이션할 때 더 복잡한 시뮬레이션을 추구 할 수 있다. 정말 복잡한 현상을 시뮬레이션 할 수 있게 될 것이다.

D-Wave의 수석 과학자의 모하마드 아민(Mohammad Amin)은 “이것은 우리가 데이터를 이해하고 미래에 새로운 재료를 디자인하는 데 양자컴퓨터가 도움을 주는 새로운 시대의 시작이다”고 말했다.

새로운 재료는 예를 들어 암의 특효약이거나 앞으로 점점 중요성을 더해가는 신형 배터리이거나, 다양한 응용 재료다. D-Wave의 양자컴퓨터에 의한 양자 시뮬레이션을 통해 미래에는 전혀 새로운 기능성 재료를 개발할 것이라는 기대를 걸고 있다.

개인적인 수준에서 재료 시뮬레이션에 흥분하고 있다. 이전에는 있을 수 없었던 자연을 찾아내는 기회가 될 것이다. 나는 엔지니어이지만 뿌리는 물리연구실이므로 세계를 형성하는 작은 조각에 참여하고 그들이 어떤 행동을 하는지를 보고 싶다.

리차드 파인만 의해 밝혀진 양자역학의 원리가 우리의 연구 아이디어의 기반이다. 우리는 오랫동안 양자컴퓨터를 아주 작은 물질의 시뮬레이터로 사용하고 싶어 했다. 이 연구는 그 출발이다. 


IT뉴스 / 김들풀 기자  itnews@