QSC 연구팀, 40큐비트로 스핀 수송 디지털 양자 시뮬레이션 최초 구현

연구 배경: 응집물질물리학의 오랜 난제

저차원 양자 물질 내에서 에너지와 정보가 어떻게 흐르는지는 응집물질물리학의 핵심 질문 중 하나다. 스핀 수송 현상, 즉 전자 스핀의 집단적 이동을 미시 수준에서 시간에 따라 추적하는 작업은 고전 컴퓨터로는 계산 비용이 급격히 증가해 한계에 부딪혀 왔다. 이번 연구는 양자 컴퓨터가 이 문제에 실질적으로 기여할 수 있음을 실험적으로 보여준 첫 사례로 평가된다.

핵심 기술: 중간 회로 측정 알고리즘

스핀 전류 자기상관함수(ACF)를 계산하는 기존 하다마르 테스트 방식은 제어 게이트와 보조 큐비트가 추가로 필요해 O(N²) 수준의 연산 복잡도를 가진다. 연구팀은 중간 회로 측정(MCM)을 활용한 직접 측정 알고리즘을 새로 적용해 복잡도를 O(N)으로 낮췄다. 덕분에 게이트 층 약 100개, 2큐비트 게이트 약 1,900개에 달하는 깊은 회로를 현재의 잡음이 있는 하드웨어에서 실행할 수 있었다.

세 가지 수송 체계의 관측

연구팀은 하이젠베르크 모델의 비등방성 파라미터(Δ)를 조정해 세 가지 수송 체계를 시뮬레이션했다. Δ < 1 조건에서는 스핀 여기가 빠르고 저항 없이 전파되는 탄도 수송, Δ > 1에서는 산란에 의한 느린 확산 수송, 그리고 Δ = 1에서는 일반 확산보다 빠른 초확산 수송이 각각 관측됐다. 초확산 체계는 카르다르–파리시–장(KPZ) 스케일링 법칙을 따르는 것으로 알려져 있으며, 이번 시뮬레이션 결과는 실제 양자 자성체인 불화구리칼륨(KCuF₃)의 실험 데이터와 비교 검증됐다.

과학적·산업적 함의

이번 연구는 양자 컴퓨터가 지속 전류의 척도인 드루데 무게(Drude weight)와 확산계수의 거듭제곱 스케일링을 정확히 재현할 수 있음을 보여줌으로써, 재료과학 연구를 위한 프로그래머블 툴셋으로서의 가능성을 제시한다. 특히 전하 대신 스핀을 이용해 정보를 처리하는 스핀트로닉스 소자 개발에 직접적인 활용 가능성이 있다. QSC 팀은 일리노이대 어바나-샴페인과 협력해 향후 2차원 스핀 시스템과 열 수송 문제로 시뮬레이션을 확장할 계획이다.

한계와 과제

40큐비트 규모의 시뮬레이션이 고전 슈퍼컴퓨터의 검증 범위를 완전히 벗어난 것은 아니다. 회로 깊이가 현 노이즈 하드웨어의 한계에 근접했다는 점도 유의해야 한다. 2D 시스템으로의 확장이 실제로 고전 방법을 압도하는 '양자 우위' 구간에 진입할지는 추가 연구가 필요하다.