[스마트경제=복현명 기자] 김은아 이화여자대학교 물리학과 ‘양자물질 우수연구단’ 초빙석좌교수 연구팀이 구글(Google) 연구팀과 협력해 2차원 입자인 비가환 애니온(non-abelian anyon)에 대한 새로운 이론을 실증했다.
비가환 애니온은 양자컴퓨팅에 내결함성(Fault Tolerance)을 적용하기 위한 토폴로지 양자컴퓨팅을 실현하는 핵심 요소이다.
해당 연구 성과를 담은 논문 ‘Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor’는 세계 3대 학술지인 네이처(Nature)지에 지난달 11일 게재됐다.
Google 양자 AI를 통해 실시된 이번 실험 결과는 지난 3월 Annals of Physics지에 게재된 김은아 교수와 공동저자들의 획기적인 이론연구에 기반한 것이다.
연구 결과를 통해 김은아 교수는 비가환 애니온들이 해당 양자 정보(큐비트)를 비국소적으로 저장해 큐비트가 보호될 수 있으며 보호된 큐비트의 제어는 애니온의 시공간 내 궤적의 '꼬임(braid)'을 통해 가능하다고 밝혔다.
40년간의 이론화 과정에도 불구하고 그동안 실험으로 실현되지 못했으나 김 교수 연구팀이 초전도 기반 양자 프로세서를 사용해 비가환 애니온들의 생성과 그들의 시공간 내 궤적의 꼬임을 실현한 것이다.
김은아 이화여대 초빙석좌교수는 “사상 최초로 비가환 애니온을 생성, 제어해 궤적의 꼬임을 실현한 기반에는 실험을 면밀히 유도한 이론이 있었다”며 “창의적인 통찰력과 게이지이론을 접합함으로써 간단명료한 기하학적 관점을 양자역학적으로 구현할 수 있는 최단 경로를 제시할 수 있었다”고 말했다.
미래의 기술을 선도하기 위해서는 간단명료한 원칙을 정확하게 구현할 수 있는 정확한 프로토콜이 필수적임을 강조하는 김은아 교수 연구팀이 이론 연구에서 제시한 프로토콜을 기반으로 구글의 양자 AI 연구자들은 체스판과 유사한 형태의 이차원 그리드 큐비트 상에 비가환 애니온을 물리적으로 생성, 이동시켰다.
김은아 교수와 공동연구자들은 토폴로지 양자 컴퓨팅의 핵심인 비가환 애니온 궤적의 꼬임을 통한 로직 게이트 구현에 성공했을 뿐 아니라 몇 개의 비가환 애니온을 엮음으로써 양자 얽힘 상태, 즉 Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ) 상태를 만들어 냈고, 이를 양자 컴퓨팅에 적용해 활용할 수 있는 가능성을 선보였다.
이번 연구는 응집 물질 물리학과 양자 정보 과학 모두에서 중요한 발전으로 평가받는다.
위상 시스템 연구에서 중요한 이정표를 세운 김은아 교수팀의 연구는 비가환 애니온계의 물리학을 탐구하기 위한 새로운 플랫폼을 제시하고 더 나아가 향후 오류 수정 기능을 포함한 내결함성 양자 컴퓨팅의 새로운 길을 열 것으로 기대된다.
이화여대는 세계적 수준의 성과 창출을 위한 창의 연구 생태계 조성을 위해 국제경쟁력을 갖춘 ‘선도분야’와 미래 유망 ‘도전분야’를 선정해 각 분야에서 세계적 석학 초빙을 비롯한 전폭적인 지원을 하고 있다.
응집물질물리(이론) 분야의 세계적 대가인 김은아 교수는 물리학과 소속 ‘양자물질 우수연구단’에 초빙돼 해당 분야의 연구를 이끌고 있다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
