알토대, 텐서 네트워크로 2억 6800만 사이트 준결정 시뮬레이션 성공

원제: Aalto Team Reports New Algorithm Tackles Quasicrystal Calculations Beyond Classical Limits

핀란드 알토대학교 응용물리학과 연구팀이 텐서 네트워크 기반 양자 영감 알고리즘을 이용해 2억 6800만 개 이상의 격자점을 가진 위상학적 준결정(quasicrystal)의 전자 구조를 계산하는 데 성공했다. 해당 연구는 기존 슈퍼컴퓨터의 처리 한계를 넘는 비주기 양자 물질 시뮬레이션에 새 경로를 제시하며, Physical Review Letters 편집자 추천 논문으로 게재됐다.

저자: Matt Swayne

준결정 계산, 왜 어려운가

준결정(quasicrystal)은 장거리 질서는 있지만 주기성이 없는 구조를 가진다. 이로 인해 전자 상태를 기술하는 해밀토니언 행렬의 크기가 기하급수적으로 커지고, 일반적인 경우 1000조(10¹⁵) 개 이상의 수를 처리해야 한다. 현존하는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터도 이 규모의 계산을 현실적인 시간 내에 수행하기 어렵다. 특히 모아레(moiré) 패턴이 중첩된 슈퍼-모아레 구조나 위상학적 준결정은 비균일하게 분포된 양자 여기(excitation)까지 고려해야 해 계산 복잡도가 한층 가중된다.

텐서 네트워크가 여는 해법

연구팀은 문제를 양자 컴퓨터의 언어로 재기술하는 접근을 택했다. 텐서 네트워크는 양자 다체 시스템의 지수적으로 넓은 힐베르트 공간을 효율적으로 압축·표현하는 알고리즘 군이다. 이를 활용해 2억 6800만 개 격자점을 가진 준결정의 위상 특성을 계산했으며, 이는 기존 방법 대비 수 오더(order of magnitude) 이상의 규모 확장에 해당한다. 이번 계산은 실제 양자 하드웨어가 아닌 고전 시스템 위의 시뮬레이션으로 수행됐지만, 알고리즘 자체는 양자 컴퓨터에 직접 이식 가능한 구조로 설계됐다.

무산 소산(dissipationless) 전자공학과 양자 피드백 루프

위상학적 준결정에서 나타나는 위상 보호 전도 모드는 외부 노이즈·간섭에 강건하며, 이를 활용한 소산 없는 전자 소자 구현이 장기 응용 목표 중 하나다. 연구팀은 AI 데이터 센터의 발열 문제를 이 기술의 잠재적 적용 사례로 언급했다. 더불어 이번 성과는 양자 알고리즘으로 양자 물질을 설계하고, 그 물질로 더 나은 양자 컴퓨터를 만드는 '양방향 피드백 루프'의 초기 사례로 자리매김했다.

향후 계획과 연구 배경

제1저자인 박사과정 연구원 Tiago Antão를 비롯해 Jose Lado 조교수, Yitao Sun 박사과정 연구원, Adolfo Fumega 아카데미 연구원이 참여했다. 알고리즘의 실제 양자 하드웨어 적용을 위해 AaltoQ20 및 핀란드 양자 컴퓨팅 인프라(FIQCI)와의 협력이 거론되고 있다. 이 연구는 Lado 교수의 ERC 통합 연구비 ULTRATWISTROICS 및 양자 물질 연구 탁월성 센터 QMAT의 일환으로 진행됐다.

한계와 전망

현재 결과는 실험적 검증이 아닌 이론·시뮬레이션 단계에 머물러 있다. 위상학적 큐비트 설계로 이어지기까지는 재료 합성·소자 제작·충실도(fidelity) 확보 등 추가 단계가 필요하다. 그럼에도 비주기 양자 물질의 대규모 계산 가능성을 실증한 점에서, 양자 물질 설계 분야에서 양자 알고리즘이 활용될 수 있는 구체적 사례를 제시했다는 의의가 있다.

원문 인용

“Our algorithm shows how colossal problems in quantum materials can be directly solved with the exponential speed-up that comes from encoding the problem as a quantum many-body system”

— Tiago Antão, 알토대학교 박사과정, The Quantum Insider

“Our method can be adapted to run on real quantum computers, once they reach necessary scale and fidelity.”