국내 연구진이 양자컴퓨터의 핵심 원리인 원자와 빛의 상호작용을 하나의 수학적 체계로 설명할 수 있는 새로운 이론을 개발했다. 복잡한 양자 상태를 연결망으로 표현해 결합 세기에 따른 변화를 연속적으로 추적할 수 있게 되면서 양자컴퓨터와 광 인공지능(AI) 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
한국연구재단은 박남규·유선규 서울대 교수와 박현희 서울시립대 교수 공동연구팀이 원자와 빛의 상호작용을 하나의 수치로 계량화하는 '자기 그래프(magnetic graph)' 이론을 개발했다고 28일 밝혔다.
원자와 빛이 에너지를 주고받는 현상은 양자컴퓨터와 첨단 광학 기술의 핵심 원리다. 그러나 원자와 빛의 결합이 매우 강해지는 초강결합·심층강결합 영역에서는 기존 이론의 근사법이 제대로 작동하지 않아 결합 세기에 따라 서로 다른 계산법을 적용해야 하는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 복잡한 양자 상태를 지하철 노선도와 같은 그래프 형태로 표현하는 수학적 틀을 고안했다.
빛의 광자 수와 원자 상태를 그래프의 점으로, 상태 간 전이 가능성과 빛 파동의 위상 정보를 선의 굵기와 색으로 나타내는 방식이다.
이를 통해 가장 단순한 양자계 내부에도 두 종류의 점이 무수한 장거리 선으로 연결된 거대한 '반무한 그래프' 구조가 존재한다는 사실을 확인했다.
연구팀은 이어 연결망의 복잡도를 하나의 숫자로 나타내는 '자기 라플라시안 지표'를 도입했다. 이를 활용해 약한 결합부터 심층강결합까지 서로 다른 영역의 양자 상태 변화를 하나의 연속적인 수치로 구분하는 데 성공했다.
특히 크기가 서로 다른 부분 그래프를 각각 2만 번씩 무작위로 구성해 분석한 결과, 강한 원자-빛 결합에서 나타나는 양자 상태의 급격한 변화가 '위상 좌절'에서 비롯된다는 사실을 규명했다.
위상 좌절은 서로 다른 경로를 거친 빛 파동의 위상이 맞지 않아 상쇄되는 현상이다. 연구팀은 이를 통해 강한 결합 영역에서 발생하는 복잡한 양자 상태 변화의 원인을 설명할 수 있게 됐다.
이번 연구는 기존에 개별적으로 다뤄온 원자-빛 결합 영역을 통합적으로 분석할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다. 향후 복잡한 양자계 분석과 원자-빛 상호작용을 활용한 인공신경망 구현 등에 응용될 것으로 기대된다.
박남규 서울대 교수는 “가장 단순한 양자 현상 내부에도 방대한 연결 구조가 숨어 있음을 밝혔다”며 “향후 하나의 원자와 빛의 상호작용을 제어하는 방식으로 인공신경망을 구현하는 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 다학제 분야 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 지난 26일 온라인 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
