듀크 양자 센터(DQC) 연구진이 양자 시뮬레이터를 이용해 입자-반입자 생성과 관련된 끈 끊김(string breaking) 동역학을 관측했다. 이는 양자 물리학 분야에서 이른바 최초의 시연 중 하나로 꼽힌다. 9월 23일 《네이처 피직스》에 발표된 이 연구는 이온 트랩 양자 컴퓨터가 궁극적으로 기초 물리학의 가장 깊은 질문을 탐구하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사한다. 실험은 끈 끊김을 시뮬레이션했다. 즉, 연결된 두 개의 물질 구성 요소를 서로 잡아당기다가 에너지가 충분히 축적되면 연결이 끊어지면서 새로운 입자가 사실상 '존재로 튀어나오는' 현상이다.

"양자 컴퓨터 시뮬레이션은 빅뱅 자체를 목격하지 않고서는 물질 형성과 같은 복잡한 질문을 연구할 수 있는 최고의 플랫폼을 제공합니다"라고 연구를 이끈 듀크대 전기컴퓨터공학 및 물리학과 길훌리 가족 석좌교수 크리스토퍼 먼로가 말했다. "이번 발견은 양자 과학 분야의 현저한 발전을 보여주며, 끈 끊김 동역학을 이해할 수 있는 새로운 길을 열어줍니다."

이 연구는 메릴랜드 대학(UMD), 옥스퍼드 대학, 캘리포니아 공과대학, 코넬 대학, KU 루벤의 연구자들이 참여한 국제 공동 연구였다. 이번 결과는 서로 다른 양자 컴퓨팅 하드웨어를 사용해 유사한 물리를 재현한 두 개의 다른 연구팀의 최근 발표와 나란히 실렸다.

쿼크는 알려진 물질의 가장 기본적인 구성 요소 중 하나다. 쿼크는 양성자와 중성자 같은 입자 내부에 존재하며, 원자보다 대략 10억 배 작다. 과학자들은 현재 고립된 쿼크를 직접 관측할 수 없는데, 쿼크는 보통 서로 단단히 묶여 있기 때문이다. 팽팽하게 당겨진 끈으로 연결된 두 개의 작은 대전 입자를 상상해 보자. 서로 멀리 잡아당길수록 연결부에 더 많은 에너지가 저장된다. 결국 추가적인 대전 입자를 생성할 만큼 에너지가 축적될 수 있다. 질량과 에너지는 아인슈타인의 유명한 E=mc2로 관계되기 때문이다. 원래의 연결은 하나의 분리된 쌍으로 끝나는 대신 끊어지고 새로운 입자 쌍이 형성된다. 이러한 과정은 막대한 에너지를 필요로 하며, 일반적으로 대형 강입자 충돌기 내부나 빅뱅 직후 존재했던 것으로 여겨지는 극한 조건에서만 일어난다.

새로운 실험에서 듀크가 이끄는 팀은 이온 트랩 양자 플랫폼을 사용해 유사한 끈 끊김 행동을 재현했다. 양자 시뮬레이터는 연구자들이 원자 및 아원자 규모의 과정을 모방하도록 정밀하게 제어하고 프로그래밍할 수 있기 때문에 특히 유용하다.

"양자 시뮬레이션과 고에너지 물리학의 교차점에서 일하는 것은 매우 흥미진진합니다"라고 논문의 제1저자이자 먼로 연구실의 전 박사 과정 학생이며 현재 QuEra Computing의 생산 기계 책임자인 아린조이 데가 말했다. "통제된 실험실 환경에서 쿼크 가둠과 끈 끊김 현상을 시뮬레이션함으로써, 우리는 물질의 가장 근본적인 수준에서의 행동에 대한 실험적 연구를 위한 새로운 경로를 열고 있습니다."

시뮬레이션을 구축하기 위해 연구진은 13개의 이온 사슬에 끈 끊김 모델을 인코딩했다. 정교하게 제어된 레이저 빔이 이온 간 상호작용 방식을 조정했다. 이러한 상호작용을 통해 팀은 입자 같은 끈의 늘어남과 최종적인 끊김을 재현하는 방식으로 시스템의 에너지를 제어할 수 있었다. 연구진은 시스템을 비평형 상태로 준비하고 시간에 따라 어떻게 변하는지 추적하여 유효 전하의 출현을 감지하고 시뮬레이션된 끈 끊김과 관련된 동역학을 재구성했다. 결과를 확인하기 위해 팀은 동일한 과정을 고전 컴퓨터에서도 모델링했으며, 고전 계산은 양자 시뮬레이터의 실험 결과와 일치했다.

이 정도로 비교적 작은 규모의 시뮬레이션에서는 고전 컴퓨터도 여전히 계산을 수행할 수 있다. 연구진은 미래 실험이 더 커지고 더 복잡해질수록