Duke Quantum Center, 이온트랩 13큐비트로 쿼크 끈 끊김 현상 양자 시뮬레이션

끈 끊김 현상: 빅뱅 직후 물질 탄생의 기초

쿼크는 물질의 기본 구성 단위로, 원자보다 약 10억 배 작으며 현재 기술로는 직접 관측이 불가능하다. 쿼크 쌍은 에너지 끈으로 연결된 상태로만 존재하는데, 이 끈을 강제로 잡아당기면 에너지가 축적된다. 그 에너지가 임계치를 넘으면 E=mc² 관계에 따라 새로운 입자-반입자 쌍이 자발적으로 생성되면서 원래 끈이 끊어진다. 이 끈 끊김 현상은 대형강입자충돌기(LHC)나 빅뱅 직후와 같은 극한 환경에서만 자연 발생해, 직접 실험이 사실상 불가능하다.

이온트랩 양자 시뮬레이터로 현상 재현

연구팀은 끈 끊김 모델을 13개 이온 체인에 인코딩했다. 정밀하게 조율된 레이저 빔으로 이온 간 상호작용을 제어해, 쿼크 연결 끈이 늘어나다가 끊기는 에너지 동역학을 인위적으로 구현했다. 시스템을 비평형 초기 상태로 설정하고 시간에 따른 변화를 추적한 결과, 유효 전하의 출현과 끈 동역학이 전개되는 양상을 직접 관측할 수 있었다. 동일 조건을 고전 컴퓨터로도 계산해 결과의 신뢰도를 교차 검증했다. 현재 13큐비트 규모에서는 고전 컴퓨터도 대응 가능하나, 시스템 크기가 커질수록 고전적 접근으로는 계산이 어려워지는 영역에 진입한다.

세 플랫폼 동시 성과와 벤치마크 비교

같은 끈 끊김 현상을 Google은 초전도 회로 기반 플랫폼으로, QuEra Computing은 중성 원자 플랫폼으로 각각 별도 재현했으며, 세 팀의 결과가 거의 동시에 발표됐다. 이온트랩, 초전도 큐비트, 중성 원자는 제어 방식과 오류 특성이 서로 달라 직접적인 성능 비교가 쉽지 않은데, 동일 물리 현상을 공통 기준점으로 삼아 세 플랫폼의 결과를 나란히 놓을 수 있다는 점에서 양자 컴퓨팅 커뮤니티에 유용한 벤치마크가 된다.

전망과 과제

이번 연구는 DQC가 주도하고 UMD, 옥스퍼드대, Caltech, 코넬대, KU 루벤이 참여한 국제 공동연구다. 양자 시뮬레이터 규모가 확장되면 가장 강력한 슈퍼컴퓨터도 처리하기 어려운 비평형 양자 모델을 탐색할 수 있게 된다. 이는 빅뱅 이후 물질 형성이나 쿼크 가둠 같은 고에너지 물리학의 핵심 질문에 접근하는 새로운 실험 경로를 열어줄 수 있다. 다만 현 단계에서는 고전 컴퓨터 대비 계산 우위가 검증되지 않았으며, 오류 억제 능력 향상과 실질적인 큐비트 수 확대가 남은 과제다.