모든 사람이 무료로 데이터 접근 가능
쌍극자 상호작용으로 연결된 원자, 체스판 위 킹 움직이는 '킹 그래프' 형성
(내외방송=정지원 기자) 양자 컴퓨터를 활용해 70만 종류 이상의 어려운 계산을 해낼 수 있는 기술이 개발돼 관련 분야 연구가 더욱 활발해질 것으로 보인다.
13일 KAIST(한국과학기술원)에 따르면 안재욱 물리학과 교수 연구팀이 100큐비트(두 개의 상태를 가진 양자 시스템으로 양자 컴퓨터의 기본 단위)급 양자 컴퓨터로 조합 최적화 문제를 계산해 결과 데이터베이스와 계산 프로그램을 공개했다.
양자 컴퓨터는 양자역학(원자의 미시세계 현상을 탐구하는 현대물리학의 한 분야)의 원리를 활용해 기존 컴퓨터로 풀기 어려운 계산을 할 수 있는 컴퓨터를 말한다.
양자 컴퓨터는 암호 해독이나 배터리 소재 개발, 신약 개발 등 다양한 분야에서 그동안 풀지 못한 난제들을 해결할 미래 기술로 주목받고 있다.
조합 최적화 문제 중 하나인 '최대 독립집합 문제'는 SNS상에서 가장 영향력 있는 인물을 찾는 문제나 전력망을 가장 효율적으로 분배하는 법을 찾는 것 등 다양하게 응용이 가능하다.
지난해 연구팀은 20큐비트급 리드버그(일반 원자보다 만 배 큰 원자) 양자 컴퓨터를 이용해 최대 독립집합 문제 풀이를 시연했다.
일반적으로 100큐비트급 양자 컴퓨터의 데이터를 얻기 위해서는 직접 양자 컴퓨터를 제작하거나 클라우드 서비스 업체를 이용할 수밖에 없는데, 이번에 연구팀이 공개한 데이터는 모든 사람이 무료로 데이터에 접근할 수 있다.
공개된 데이터는 관련 분야 연구자뿐만 아니라 양자 컴퓨터에 관심 있는 모든 사람이 접근할 수 있다는 점이 매우 중요하다. 또, 최대 141큐비트를 활용해 70만 종류 이상의 그래프 최적화를 계산해 양자 컴퓨터의 계산 결과에 따른 데이터 분석 프로그램이 공개된 것이다.
연구팀은 리드버그 원자를 가로 18행과 세로 11열의 총 198개의 격자 형태 광 집게에 배치했으며 데이터 측정마다 평균적으로 원자가 100개 가량 잡힌다. 이는 리드버그 원자가 무작위로 잡히기 때문에 측정할 때마다 새로운 형태의 원자 배치가 만들어지고, 새로운 그래프 실험도 가능해진다.
리드버그 원자는 가까이 있으면 판데르발스 힘(쌍극자 간 상호작용)이 나타나 연결됐다고 할 수 있는데, 이번 연구에서는 광 집게 격자 간격을 가깝게 만들어 대각선 상의 원자들도 연결될 수 있도록 했다.
쌍극자 상호작용으로 연결된 원자들은 마치 체스판 위를 움직이는 말들의 왕인 '킹'이 움직일 수 있는 경로처럼 '킹 그래프'를 이룬다.
연구팀은 이 킹 그래프에 원자를 배치한 후 '단열(경계 사이 물질과 에너지가 이동할 수 없음) 양자 컴퓨팅' 방법을 활용해 최대 독립집합 문제를 계산했다.
자동차 핸들을 계속 돌려 바퀴 방향을 조절하는 것처럼 단열 양자 컴퓨팅 변수들을 변경해 계산 결과를 구하는 방법이다.
연구팀은 공개한 데이터베이스에는 킹 그래프 상에서 최대 독립집합 문제의 다양한 조건들이 계산 결과에 포함돼 있어 컴퓨터로 푸는 것이 불가능한 문제인 'NP-문제'를 해결하기 위한 양자 컴퓨터의 효율성 문제에 대한 열쇠를 찾는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
안 교수는 "이번 연구를 통해 그동안 양자 컴퓨터 접근이 어려웠던 연구자를 비롯한 많은 사람들이 양자 컴퓨팅 연구에 참여할 수 있을 것"이라며 "고성능 양자 컴퓨터 개발에 필요한 잡음 분석에서 활용되길 바란다"고 말했다.
김강흔, 박주영, 변우정 석박사통합과정과 김민혁 박사가 참여한 이번 연구는 삼성미래기술재단 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 '사이언티픽 데이터(Scientific data)'에 최근 게재됐다(논문명: Quantum computing dataset of maximum independent set problem on king lattice of over hundred Rydberg atoms).
