옥스퍼드대, 이온트랩 하이브리드 양자컴퓨터로 아하로노프-봄 효과 동역학 구현

아하로노프-봄 효과와 격자 게이지 이론

1959년 야키르 아하로노프와 데이비드 봄이 예측한 아하로노프-봄 효과는, 하전 입자가 자기장 영역을 직접 통과하지 않고 그 주위를 우회하더라도 경로에 측정 가능한 위상 변화가 생기는 양자역학적 현상이다. 이후 실제 전자 실험으로 검증된 이 현상이 격자 게이지 이론이라는 더 넓은 틀 안에서도 나타나는지 확인하는 것이 이번 연구의 출발점이다. 격자 게이지 이론은 격자의 절점에 물질을, 절점을 잇는 링크에 게이지 장을 배치하는 수학적 구조로, 소립자·고에너지 물리학의 핵심 상호작용을 기술한다. 시스템 규모가 커질수록 고전 컴퓨터의 계산 비용이 기하급수적으로 증가한다는 점이 이 분야의 오랜 난제다.

하이브리드 시스템의 설계

Sebastian Saner 박사를 필두로 Oana Bazavan 박사 등 옥스퍼드 연구진은 2022년부터 마드리드 이론물리학연구소의 Alejandro Bermudez 박사와 공동으로 실험 구조를 설계했다. 이들이 구성한 하이브리드 시스템은 두 종류의 양자 자원을 역할에 따라 분리 운용한다. 포획 이온의 내부 상태로 인코딩된 큐비트는 게이지 장을 담당하고, 동일한 이온들의 집단 진동 모드인 양자 진동자는 물질을 표현한다. 두 개의 양자 진동자(물질 절점)와 두 개의 큐비트(게이지 장 링크)를 조합해 루프를 구성했으며, 두 큐비트를 얽힘 상태로 준비하면 이는 격자 게이지 이론의 언어로 루프를 관통하는 자기 선속에 해당한다.

이 인코딩 방식은 애초에 하드웨어 제약을 피하기 위한 실용적 우회책이었다. 그러나 연구 과정에서 이 우회책은 게이지 장 자체를 동역학적으로 처리하는, 즉 물질과 게이지 장이 고정된 배경 없이 함께 진화하는 보다 근본적인 접근법으로 발전했다.

핵심 결과: 터널링의 완전 억제

연구팀은 물질 입자가 루프를 따라 터널링하는 과정을 직접 관측했다. 자기 선속이 없는 경우 입자는 루프를 따라 자유롭게 터널링했다. 반면 얽힘 큐비트가 자기 선속을 재현하는 상태에서는 루프를 도는 두 경로가 정확히 상쇄 간섭을 일으켜 터널링이 완전히 억제됐고, 시스템은 초기 상태에 고정됐다. 이는 고전 물리학으로는 설명되지 않는 위상 효과가 동역학적 격자 게이지 이론 환경 안에서도 실험적으로 재현됨을 보여 준 것이다.

병행 연구 및 한계

같은 호 Nature Physics에는 메릴랜드대 Norbert Linke 교수 그룹이 하이브리드 양자 시스템으로 유카와 퍼텐셜을 시뮬레이션한 결과도 함께 실렸다. 두 그룹은 독립적으로 연구를 진행한 뒤 투고 시점을 조율했으며, 서로 다른 물리 현상을 다루지만 하이브리드 양자 아키텍처가 고전 컴퓨터로 다루기 어려운 기초 물리 상호작용을 시뮬레이션하는 데 유효하다는 동일한 방향성을 가리킨다.

다만 이번 실험은 절점 2개, 링크 2개로 이루어진 최소 규모 루프에 그친다. 실질적인 물리 문제 해결로 이어지려면 시스템 규모 확장, 오류 억제, 더 복잡한 게이지 구조 구현 등 추가적인 기술적 도약이 필요하다.