저장대·리즈대 연구진, 24큐비트 초전도 프로세서로 양자 카오스 속 규칙 운동 섬 첫 실험 입증

양자 다체 시스템에서 규칙성 탐색의 난제

상호작용하는 다수의 양자 입자로 구성된 계는 초기 상태 정보를 빠르게 잃고 열화(thermalization)로 수렴하는 경향이 있다. 고전 역학에서는 위상 공간(phase space)상에서 규칙적 경로와 혼돈적 경로가 뚜렷이 구분되는 혼합 구조가 잘 알려져 있으나, 양자 다체계에서는 얽힘(entanglement)이 발생하면 각 구성 요소를 독립적으로 기술하는 것만으로는 전체 상태를 완전히 파악할 수 없어, 유사한 구조의 존재 여부를 규명하기가 매우 어려웠다.

하이브리드 피드백 제어 방법론

연구팀은 양자 프로세서와 일반 컴퓨터를 반복 루프로 결합하는 하이브리드 피드백 제어 방식을 고안했다. 양자 시스템을 준비하고 짧은 시간 동안 진화시킨 뒤 개별 큐비트 측정값을 수집하면, 일반 컴퓨터가 그 결과를 가장 잘 근사하는 단순 양자 상태를 계산하고 이를 다시 프로세서에 입력한다. 이 과정을 반복하면 목표 상태를 사전에 지정하지 않고도 규칙적으로 반복되는 운동 패턴을 찾아낼 수 있다. 핵심 수학 도구로는 텐서 네트워크(tensor network)가 쓰였으며, 알고리즘은 앞서 PRX Quantum에 발표된 ScarFinder에서 착안했다. 방법론의 실용적 강점은 매 반복 단계에서 짧은 양자 진화만 요구하므로, 양자 결맞음 유지가 어려운 현세대 노이즈 프로세서에도 즉시 적용 가능하다는 점이다.

24큐비트 실험 결과

연구팀은 100큐비트 초과 규모의 초전도 양자 프로세서에서 24큐비트 사다리형 서브시스템을 선택해 실험을 수행했다. 불규칙한 운동 패턴에서 출발한 피드백 루프는 계를 반복 귀환 패턴으로 유도하는 데 성공했으며, 큐비트 간 상호작용 강도를 조절하자 규칙적 경로의 형태 자체가 달라졌다. 이는 해당 섬 구조가 피드백에 의해 새로 만들어지는 것이 아니라 계의 내재적 동역학에 이미 존재하며, 피드백이 이를 찾아내고 안정화한다는 점을 시사한다. 이 결과는 같은 팀이 30큐비트 초전도 프로세서에서 보고한 양자 흉터(quantum scar) 현상의 연장선이지만, 훨씬 광범위한 혼합 위상 공간 구조를 제시한다는 점에서 차별화된다. 행성이 겉보기에 주기적으로 운동하면서도 태양계 전체는 혼돈 거동을 보이는 것과 유사한 공존 구조가 양자 다체 영역에서도 실재함을 실험적으로 보인 것이 이번 연구의 핵심이다.

한계와 향후 과제

현재의 실험은 24큐비트 규모와 노이즈 있는 프로세서라는 제약 조건 아래서 이뤄졌으므로, 규칙 섬 구조가 더 큰 계로 확장됐을 때 안정성이 유지될지는 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 후속 과제로 규칙 섬을 지지하는 시스템의 종류, 안정성 결정 요인, 큐비트 수·배열 변화에 따른 섬의 변화 양상, 그리고 양자 흉터 현상과의 관계 규명을 계획하고 있다. 기존에 관측된 일부 양자 흉터가 이번에 드러난 더 넓은 규칙 운동 경관의 특수 사례인지를 밝히는 작업도 포함된다.