MIT Eleanor Crane 팀, 마이크로파 공동기 활용 하이브리드 양자프로세서로 페르미온-보손 시뮬레이션 오류 기준 1,000배 완화

페르미온과 보손, 왜 시뮬레이션이 어려운가

물질을 구성하는 입자인 페르미온(전자·쿼크 등)과 힘을 매개하는 보손(광자·글루온 등)의 상호작용은 초전도체 내 전자 쌍 형성이나 양성자·중성자 내부 쿼크-글루온 결합처럼 자연의 핵심 현상을 지배한다. 고전 컴퓨터에서는 시스템 크기가 커질수록 추적해야 할 상태 수가 지수적으로 늘어나 사실상 계산이 불가능해진다.

양자컴퓨터는 이 문제의 부분적 해법이 될 수 있다. 큐비트는 두 가지 양자 상태 중 하나만 점유하기 때문에, 같은 상태에 두 페르미온이 동시에 존재할 수 없다는 파울리 배타 원리를 자연스럽게 구현한다. 그러나 보손은 같은 상태에 임의 개수가 공존할 수 있어, 이를 표현하려면 여러 큐비트로 분산하고 긴 연산 시퀀스를 실행해야 한다. 단계가 늘수록 오류 누적도 심해진다.

공동기를 보손 레지스터로 전환

Crane 팀의 해법은 초전도 양자컴퓨터에 이미 탑재된 마이크로파 공동기를 보손의 직접 표현 장치로 전환하는 것이다. 기존에 공동기는 큐비트 간 상호작용 중계나 읽기 보조 역할에 그쳤으나, 이번 연구에서는 큐비트가 페르미온을, 공동기가 보손을 각각 담당하도록 연산 체계를 재설계했다.

결정적 이점은 공동기를 제어하는 데 필요한 연산 단계 수가 공동기 안에 보손이 몇 개 들어 있든 거의 일정하게 유지된다는 점이다. 게다가 이 체계에 필요한 연산 자체가 기존 하드웨어에서 이미 구현 가능하므로, 추가 하드웨어 개발 없이 적용할 수 있다.

오류율 1,000배 완화…힉스 보손 유사 모델로 검증

연구팀은 힉스 보손 이론과 주요 구조를 공유하는 단순화 모델을 대상으로 성능을 분석했다. 현실적인 오류 환경을 가정했을 때, 1,000회 연산당 오류 1회 수준의 하이브리드 프로세서가 100만 회당 오류 1회인 큐비트 전용 방식과 동등한 정확도를 달성할 수 있다는 결과가 나왔다. 100만 회당 오류 1회는 현재 기술 수준을 크게 넘어서는 요구 조건이지만, 하이브리드 방식은 훨씬 달성 가능한 오류율에서 같은 성능을 낼 수 있다는 의미다.

이를 근거로 연구팀은 고전 시뮬레이션과 근미래 큐비트 전용 양자컴퓨터를 모두 능가할 수 있는 실증 실험 계획도 제안했다.

응용 범위와 향후 과제

초전도체·반도체 내 전자-포논 상호작용, 광화학 반응에서 빛이 분자에 미치는 영향, 입자물리 산란 실험 시뮬레이션 등 다양한 분야로 응용이 기대된다. 연구팀은 이 방법론이 초전도 큐비트 외에 이온트랩과 중성원자 플랫폼에도 적용 가능하다고 밝혔다.

다만 현 단계는 이론적·수치적 분석에 그치며, 실제 하드웨어 실증은 아직 이루어지지 않았다. 연구팀은 필요 하드웨어가 이미 존재한다고 보고 조속한 실험 검증을 계획 중이다. 광범위한 오류 정정 없이 고전 컴퓨터 대비 이점을 얻는 경로로 주목받을 수 있다.