과학자들은 양자 컴퓨터를 활용한 최조의 웜홀 시뮬레이션으로 양자 신호 전송을 실험했다.

이론적 웜홀 역학을 연구할 수 있는 양자 순간이동(quantum teleportation) 프로토콜을 활용한 양자 실험이다.

웜홀(wormhole)은 시공간의 두 원격 영역 사이의 통로다. 그들은 실험적으로 관찰되지 않았지만 과학자들은 거의 100년 동안 그들의 존재와 특성에 대해 이론화했다. 1935년 앨버트 아인슈타인과 네이선 로젠은 중력을 시공간의 곡률로 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 웜홀을 시공간 구조를 통과하는 터널로 설명했다. 연구원들은 두 물리학자의 이름을 따서 웜홀을 아인슈타인-로젠 브리지라고 부르며, “웜홀”이라는 용어 자체는 1950년대 물리학자 존 휠러가 만들었다.

이 실험은 실제 웜홀을 생성하지 않고도 연구자들이 이론적 웜홀과 양자 중력(quantum gravity)사이의 연결을 조사할 수 있도록 한다. 양자 중력은 본질적으로 서로 호환되지 않는 것처럼 보이는 자연에 대한 두 가지 기본적이고 잘 연구된 설명인 양자 물리학과 중력을 연결하려는 일련의 이론이다.

미국 켈리포니아 공대(Caltech) 물리학과 Shang-Yi Ch’en 교수는 “우리는 중력 웜홀의 주요 속성을 나타내면서도 오늘날의 양자 하드웨어에 구현할 수 있을 만큼 충분히 작은 양자 시스템을 발견했다”며 “이 작업은 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 중력 물리학을 테스트하는 더 큰 프로그램을 향한 단계”라고 말했다.

이 연구는 네이처(Nature) 저널에 11월 30일(현지시각) 게재됐다.

양자 순간이동

양자 얽힘(quantum entanglement)은 양자 컴퓨팅에서 중요한 역할을 한다. 양자 얽힘 상태 두 입자 사이 정보의 양자 순간이동(quantum teleportation)은 그 주요 자원이다. 이 프로세스는 순간적으로 발생하므로 중력 웜홀을 통해 양자 정보를 전송하는 프로세스를 에뮬레이트한다. 그러나 두 경우 모두 정보를 해독하기 위해 신호가 필요하기 때문에 빛의 속도보다 빠른 통신이 불가능하다.

양자 프로세서는 양자 순간이동과 웜홀 사이의 유사성을 탐구하는 이상적인 실험 장치다. 이 시나리오에서 양자 프로세서의 양자 비트 또는 큐비트는 서로 얽혀 있으며 순간 이동은 큐비트가 웜홀을 통해 이동하는 것과 같다.

논문 제1저자인 미국 캘리포니아 공대(Caltech) 마리아 시피로풀루(Maria Spiropulu), 하버드 대학(Harvard University) 다니엘 제퍼리스(Daniel Jafferis)와 동료들은 웜홀과 유사한 유형의 양자 순간이동 시스템을 실험했다.

실험을 제대로 수행하려면 오늘날의 양자 프로세서에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 큐비트가 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 기계 학습을 사용하여 필요한 최소 큐비트 수와 양자 순간 이동 프로토콜을 설정하는 방법을 알아냈다. 그들은 구글(Google) 시카모어(Sycamore) 양자 프로세서에서 164개의 2큐비트 게이트를 사용하여 9큐비트에서 웜홀 역학을 생성할 수 있었다.

실험에서 연구원들은 양자장의 특수 펄스 형태로 오는 음의 에너지 충격파를 적용함으로써 충분한 시간 동안 웜홀을 열어 둘 수 있음을 보여주었다. 그들은 또한 웜홀이 행동할 것으로 예상되는 방식과 일치하는 부정적인 에너지가 적용될 때만 통과 가능한 웜홀의 주요 서명을 관찰했다.

그런 다음 전송된 양자 정보의 역학을 연구했다. 웜홀을 통해 이동하는 신호는 일련의 스크램블링 및 언스크램블링을 경험하며, 웜홀을 나가는 양자 정보는 그대로 유지됐다.

연구팀은 Sycamore 프로세서에서 음의 에너지 충격파와 양의 에너지 충격파를 적용할 때 한 쪽에서 다른 쪽으로 얼마나 많은 양자 정보가 전달되는지 측정했다. 오직 음의 에너지 충격파만이 웜홀을 열 수 있기 때문에, 그들은 이러한 충격파만이 신호를 통과시킬 수 있다는 것을 발견했다.

웜홀을 통과하는 정보는 통과 가능한 웜홀의 키 시그니처를 가진다. 이는 양자 프로세서를 사용한 중력 물리학을 탐구, 끈 이론과 양자 중력 테스트에 기여할 수 있다.

Spiropulu는 “우리가 사용한 양자 프로세서의 높은 충실도는 필수적이었다. 오류율이 50% 더 높았다면 신호가 완전히 가려졌을 것이다. 오류율이 절반이었다면 신호가 10배 더 높아졌을 것”이라고 말했다.

연구원들은 이 작업을 더 복잡한 양자 회로로 확장하기를 희망한다.

연구에 참여하지 않은 미국 프린스턴 고등연구소(Institute for Advanced Study)의 후안 말다세나(Juan Maldacena)는 이 연구를 창발적 시공간 설명을 가질 수 있는 복잡한 양자 시스템을 만들기 위한 흥미로운 첫 단계라고 설명했다.