Caltech·워싱턴대 연구진, IBM 104큐비트 프로세서로 입자 충돌 중 질량 전환 시뮬레이션 구현

연구 배경: 왜 입자 충돌 시뮬레이션이 어려운가

LHC(대형강입자충돌기) 같은 가속기에서 입자가 충돌하면 새로운 입자가 생성되고, 이 과정은 물질의 근본 구성요소가 어떻게 상호작용하는지를 드러낸다. 이런 충돌을 시뮬레이션하려면 파동묶음(wavepacket)—움직이는 입자와 연결된 국소화된 교란—을 양자 회로 상에서 정밀하게 준비해야 한다. 기존 방식으로는 이 파동묶음 준비 단계에 회로 깊이가 지나치게 깊어져 현세대 하드웨어에서 실질적인 구현이 불가능했다.

핵심 알고리즘: 회로 층수를 고정값으로 줄이는 지름길

연구팀은 1차원 이징 장이론(Ising field theory)을 기반 모델로 삼아 새로운 파동묶음 생성 알고리즘을 개발했다. 핵심은 회로 중간 측정(mid-circuit measurement)과 고전 피드포워드(classical feedforward)를 결합해, 원래라면 수많은 게이트 층이 필요했던 장거리 얽힘(long-range entanglement)을 일정한 층수만으로 생성하는 데 있다. 이 방식 덕분에 원하는 충돌 에너지를 높은 정밀도로 지정할 수 있는 대형 파동묶음 준비가 가능해졌다.

실험 결과: E=mc²의 실시간 검증

연구팀은 IBM 양자 컴퓨터에서 두 경(輕)입자 파동묶음의 충돌을 시뮬레이션했다. 낮은 에너지에서는 두 경입자가 충돌 후 그대로 멀어지며 에너지 밀도에 두 개의 봉우리가 나타났다. 반면 에너지를 높이면 충돌 에너지 일부가 추가 질량으로 전환되어 경입자 하나가 중(重)입자로 바뀌었고, 에너지 밀도의 왜도(skewness)가 증가하는 것이 관측됐다. 이는 아인슈타인 방정식 E=mc²가 예측하는 에너지-질량 전환을 양자 시뮬레이션 상에서 직접 확인한 결과다. 이 측정에는 5,000개 이상의 잡음이 있는 얽힘 게이트가 포함된 회로가 사용됐으며, IBM 양자 컴퓨터의 높은 게이트 충실도와 오류 완화 기법이 신뢰할 수 있는 신호 추출을 가능케 했다.

한계와 향후 과제

이번 시뮬레이션은 1차원 단순화 모델에 한정된다. 현실의 입자 충돌은 3차원 공간에서 쿼크·글루온 등 더 복잡한 입자들이 관여한다. 연구팀은 향후 2차원, 이후 3차원으로 시뮬레이션을 확장하고 입자 종류와 상호작용을 표준모형(Standard Model)에 가깝게 구체화할 계획이다. 다만 표준모형 수준의 완전한 시뮬레이션을 위해서는 오류 정정이 가능한 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨터가 필요하며, 엔드투엔드 시뮬레이션에서의 오버헤드 감소가 후속 연구 과제로 남는다. 연구팀은 이 파동묶음 준비 방식이 입자 충돌 외에도 다양한 양자 다체계(quantum many-body system) 시뮬레이션에 응용 가능하다고 밝혔다.