August 20,2019

양자컴퓨터로 블랙홀 탐색한다

‘순간 이동’ 활용…블랙홀 내부 확인

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양자컴퓨터는 ‘꿈의 기술’로 불린다. 기존 슈퍼컴퓨터로 푸는데 10억년이 걸리는 문제를 100초 만에 해결할 수 있는 능력을 지녔기 때문이다.

2011년 양자컴퓨터 초기 모델이 나온 이래 물리학자들은 최근 7큐비트(seven-qubit) 양자컴퓨터를 사용해 블랙홀 안에 있는 뒤섞인 정보들을 시뮬레이션 하면서, 미래에는 양자컴퓨터가 신비한 블랙홀 내부를 조사하는데 사용될 것임을 예고하고 있다.

물리학자들이 탐구한 이 뒤섞임(scrambling) 현상은 물질이 블랙홀 안에서 사라질 때 나타난다.

물질에 부착된 정보, 즉 그 물질을 구성하는 가장 기본적인 입자의 에너지와 운동량에 이르기까지 모든 구성요소의 정체성이 다른 모든 물질 및 그 물질의 내부정보와 혼란스럽게 뒤섞여 검색이 불가능하게 보인다.

그러나 이것은 양자역학에서 말하는 이른바 ‘블랙홀 정보 패러독스’로 이어진다. 양자역학에서는 블랙홀 안에서 정보가 사라지더라도 정보를 아주 잃어버리는 것은 아니라고 보고 있다.

그렇기 때문에, 일부 학자들은 블랙홀에서 빛이 빠져나오지 못 하는 사건의 지평선(event horizon)을 통과하는 정보는 영원히 사라졌다고 말하는 반면, 다른 학자들은 이 정보가 재구성될 수 있다고 주장한다. 단, 이 재구성은 블랙홀이 원래 크기의 거의 반으로 줄어들 때까지 엄청난 시간을 기다려야 가능하다는 것이다.

초거대질량 블랙홀 상상도.  Image courtesy of NASA/JPL-Caltech

초거대질량 블랙홀 상상도. ⓒ Image courtesy of NASA/JPL-Caltech

블랙홀, 호킹 복사에 의해 자체적으로 증발

블랙홀은 입자를 방출하는 호킹 복사(Hawking radiation)에 의해 줄어들게 된다. 호킹 복사는 블랙홀 가장자리에서 양자역학적 변동에 의해 발생하는데, 음의 에너지가 블랙홀에 들어오면 블랙홀의 질량이 서서히 줄어들어 마침내 블랙홀 자체가 증발해 사라지게 된다는 이론이다. 작고한 스티븐 호킹 박사의 이름을 따서 명명됐다.

문제는, 태양 정도의 질량을 가진 블랙홀이 증발하려면 우주의 나이보다 훨씬 더 긴 10^67(10의 67승)년이 걸린다는 점이다

그러나 블랙홀에는 밖으로 빠져나갈 구멍, 웜홀(wormhole)이 있다. 블랙홀과 블랙홀이 방출하는 호킹 복사 간의 미묘한 엉킴(entanglements)을 측정해 유입 정보를 훨씬 빨리 검색할 수 있다는 것이다.

양자컴퓨터의 퀀텀 비트 혹은 큐비트 같은 2비트 정보는 매우 가깝게 연결될 때 엉킴을 형성해 하나의 앙자 상태가 얼마나 멀리 떨어져 있든 간에 자동적으로 다른 양자 상태를 결정하게 된다.

물리학자들은 때때로 이를 ‘유령 같은 원격작용(spooky action at a distance)’이라고 부르기도 하며, 엉킨 큐비트들을 측정하면 한 큐비트의 양자 정보가 다른 큐비트로 전이되는 ‘순간 이동(teleportation)이 일어날 수 있다.

언젠가는 얽힌 양자 조각들 혹은 큐비트가 블랙홀의 신비로운 내부를 탐색하게 해줄 수 있을 것으로 기대된다.   그래픽: E. Edwards/Joint Quantum Institute /UC Berkeley

언젠가는 얽힌 양자 조각들 혹은 큐비트가 블랙홀의 신비로운 내부를 탐색하게 해줄 수 있을 것으로 기대된다. ⓒ E. Edwards/Joint Quantum Institute /UC Berkeley

블랙홀로 떨어진 정보 복구 가능

캘리포니아(버클리)대 물리학과 노먼 야오(Norman Yao) 조교수는 “블랙홀 안으로 떨어져 나간 정보를 밖으로 방출되는 호킹 광자에 대한 대규모 양자 계산을 통해 복구할 수 있다”고 밝혔다.

얽힌 큐비트를 블랙홀 안에 떨어뜨리고, 나타나는 호킹 복사에 질문을 던지며, 이론적으로 블랙홀 안의 큐비트 상태를 결정해 심연 안으로 향하는 창을 열 수 있다는 것이다.

야오 교수와 캐나다 페리미터 이론물리연구소 연구팀은 과학저널 ‘네이처’(Nature) 6일자에 이 연구 결과를 발표했다.

블랙홀에서 정보를 추출할 수 있을까? 물리학자 앨리스는 생각 실험의 하나로 큐비트를 블랙홀에 떨어뜨리고 Bob이 밖으로 방출되는 호킹 복사만을 사용해 큐비트를 재구성할 수 있는지를 묻고 있다.  그래픽: Emily Elisa Edwards, University of Maryland

블랙홀에서 정보를 추출할 수 있을까? 물리학자 앨리스는 생각 실험의 하나로 큐비트를 블랙홀에 떨어뜨리고 Bob이 밖으로 방출되는 호킹 복사만을 사용해 큐비트를 재구성할 수 있는지를 묻고 있다. ⓒ Emily Elisa Edwards, University of Maryland

텔레포트 통해 블랙홀 내부정보 검색

양자 혼돈의 본질을 이해하는데 관심을 갖고 있는 야오 교수는 친구이자 동료인 페리미터 이론물리연구소의 베니 요시다(Beni Yoshid) 박사로부터 만약 정보가 블랙홀 안에서 빠르게 뒤섞여 있다면 블랙홀로 떨어진 양자 정보를 복구하는 것이 가능하다는 사실을 습득했다.

블랙홀 전체에 걸쳐 정보가 완전히 혼합돼 있을수록 텔레포트를 통해 더 확실하게 검색할 수 있다. 요시다와 야오 박사는 이 같은 통찰을 바탕으로 지난해 양자컴퓨터로 뒤섞임을 증명할 수 있는 실험을 제안했다.

야오 교수는 “우리 프로토콜을 사용해 순간 이동의 충실도가 충분히 높은지를 측정하면 뒤섞임이 양자회로 안에서 발생했음을 보장할 수 있다”고 말하고, “그래서 크리스 먼로(Chris Monroe) 박사에게 측정을 요청했다”고 밝혔다.

미국 메릴랜드대 물리학자로 세계적인 갇힌 이온(trapped-ion) 양자 정보 그룹을 이끌고 있는 먼로 교수는 이 일을 맡기로 결정하고, 요시다와 야오 교수가 제안한 프로토콜을 이용해 시간 외 배열(out-of-time-ordered) 상관 함수를 효과적으로 측정했다.

OTOCs라고 불리는 이 특별한 상관 함수는 특정한 킥 혹은 작은 교란이 일어나는 시기에 달라지는 두 양자 상태를 비교함으로써 생성된다.

핵심은 첫 번째 킥에 대한 두 번째 킥의 효과를 이해하기 위해 양자 상태를 제 시간에 앞뒤로 전개시킬 수 있도록 하는 것이다.

먼로 교수팀은 7큐비트의 갇힌 이온 양자컴퓨터 안에서 3큐비트의 뒤섞임 양자 회로를 생성하고 그에 따라 나타나는 OTOC 붕괴를 특성화했다.

OTOC 붕괴가 전형적으로 뒤섞임이 발생했다는 강력한 표시로 받아들여지는 한편으로, 연구팀은 이를 증명하기 위해 OTOC가 단순히 양자의 결잃음(decoherence) 때문에 붕괴하지 않았다는 사실을 보여주어야 했다.

메릴랜드대 물리학자들이 만든 7큐비트 양자컴퓨터 회로. 양자 텔레포트를 이용해 정보 되섞임을 탐색한다. 이는 횡적 웜홀을 통한 정보 전송과 유사하며, Bob은 Alice가 블랙홀에 던진 큐비트를 식별할 수 있게 된다.  그래픽: Emily Elisa Edwards, University of Maryland

메릴랜드대 물리학자들이 만든 7큐비트 양자컴퓨터 회로. 양자 텔레포트를 이용해 정보 되섞임을 탐색한다. 이는 횡적 웜홀을 통한 정보 전송과 유사하며, Bob은 Alice가 블랙홀에 던진 큐비트를 식별할 수 있게 된다. ⓒ Emily Elisa Edwards, University of Maryland

야오와 요시다 박사팀은 얽힌 정보나 텔레포트된 정보를 검색할 수 있는 정확도가 높으면 높을수록 OTOC에서 일어난 뒤섞임의 양에 더 엄격한 하한선을 둘 수 있다는 사실을 증명했다.

먼로 교수팀은 텔레포트 충실도를 약 80% 정도로 측정했는데, 이것은 양자 상태의 절반 정도는 뒤섞임 되고 나머지 절반 정도는 양자 결잃음에 의해 붕괴됐다는 것을 의미한다.

그럼에도 불구하고 이것은 진정한 뒤섞임이 실제로 3큐비트 양자회로에서 발생했다는 것을 증명하기에 충분한 것이다.

양자 정보, 분야에 널리 퍼져가는

야오 교수는 또 이르판 시디키(Irfan Siddiqi) 교수가 이끄는 UC버클리 그룹과 협력해 다른 양자 시스템인 초전도 쿼트리츠(qutrits) – 두 개가 아닌 세 개의 퀀텀 비트-에서의 뒤섞임을 증명하기 위해 작업을 수행하고 있다.

UC버클리대 물리학과 교수인 시디키 박사는 로렌스 버클리 국립연구소 첨단 양자컴퓨팅 테스트 베드를 주도하고 있다.

그는 “연구에서의 핵심은 큐비트나 쿼트리트 실험이지만, 이것을 우주론과 연관시킬 수 있는 것은 양자 정보의 역학이 동일하다고 믿기 때문”이라며, “미국 정부는 10억 달러 규모의 양자 이니셔티브에 착수해 양자 정보 역학에 대한 이해를 이 이니셔티브 안의 많은 연구 영역들, 즉 양자 회로와 컴퓨터, 고에너지 물리학, 블랙홀 역학, 응축물질물리학 및 원자, 분자, 광학 물리학 등에 연결시키고 있다”고 밝혔다.

양자 정보의 언어는 이제 모든 다른 분야에 대한 이해를 새롭게 하기 위해 널리 퍼져가고 있다는 게 그의 진단이다.

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