[표지로 읽는 과학]화학 연구를 돕는 양자컴퓨팅 - 동아사이언스

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사이언스 제공.

구글은 지난해 고성능 양자 논리 게이트로 구성된 새로운 양자 큐비트 프로세서 ‘시카모어’를 공개했다. 시카모어를 통해 양자 컴퓨터가 가장 강력한 기존 슈퍼 컴퓨터보다 성능이 더 뛰어날 수 있다는 ‘양자우위’를 처음으로 입증하기도 했다.

이번주 사이언스는 다양한 구조를 갖는 디아젠 분자의 에너지를 초전도 큐비트(트랜스몬) 배열로 구성된 구글의 시카모어 양자 프로세서가 시뮬레이션한 연구결과를 표지에 실었다. 디아젠 분자란 2개의 수소 원자와 2개의 질소 원자로 구성된 분자다. 양자컴퓨터의 기본 단위인 ‘큐비트’는 초전도 큐비트와 스핀 큐비트로 나뉘는데 초전도 큐비트를 트랜스몬이라고 부른다.

표지에서 보이는 것처럼 시카모어 프로세서는 오류를 줄이고 개선된 큐비트 제어 기술을 결합해 질소 원자(파란색) 사이의 결합에 대해 수소 원자(흰색)의 방향을 바꾸는 화학적 이성질화 경로를 정확하게 모델링하는 데 성공했다.

현대 물리학에서 기본입자 중 하나인 페르미온의 시스템을 시뮬레이션하는 것은 양자 컴퓨터 분야에서 가장 기대되는 응용 분야 중 하나다. 미국 스탠퍼드대 스탠퍼드이론물리연구소 연구진은 12개의 초전도 큐비트로 구성된 양자 프로세서를 이용해 디아젠 분자의 이성질화 메커니즘을 모델링하고 시뮬레이션을 진행했다.

연구진은 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위해 페르미온 입자의 집단에 대응하는 ‘파동함수’를 구현하고 최적화했다. 파동함수는 입자 간 교환에 대해 반대칭적이며 입자의 부호를 파꾸는 역할을 한다. 연구진은 또 양자역학 특성중 하나인 ‘얽힘’ 상태를 고도로 제어하고 시카모어 프로세서 하드웨어 성능을 측정하는 데도 성공했다.

연구진은 “화학의 중요한 주제인 원자 결합과 이성질체 등 다양한 난제들을 양자 컴퓨터를 통해 해결할 수 있는 길을 열게 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.