설명 어려웠던 양자 세계 속 원자-빛 상호작용 '규칙' 찾았다

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 양자컴퓨터의 핵심 원리인 원자와 빛이 서로 에너지를 주고받는 현상 속에 마치 인간의 뇌 신경망처럼 복잡하게 얽힌 거대한 연결망이 존재한다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈다.

한국연구재단은 서울대 박남규·유선규 교수와 서울시립대 박현희 교수 연구팀이 그동안 구간마다 서로 다른 방식으로 설명해 오던 원자-빛 상호작용을 하나의 숫자로 계량화할 수 있는 자기 그래프 이론을 개발했다고 28일 밝혔다.

자기 그래프는 선마다 연결 세기뿐 아니라 파동의 위상 정보까지 담은 그래프다.

원자와 빛이 에너지를 주고받는 현상은 양자컴퓨터와 첨단 광학 기술의 핵심 원리다. 하지만 원자와 빛의 결합이 매우 강해지는 초강결합·심층강결합 영역에서는 기존 이론이 통하지 않아 각 영역마다 서로 다른 계산법을 쓰거나 단일 이론으로는 설명조차 불가능했다.

약한 결합부터 매우 강한 결합까지를 하나의 통일된 시각으로 이해하기 위해 원자와 빛의 복잡한 양자 상태를 한눈에 파악할 수 있는 새로운 수학적 언어가 필요한 이유다.

연구팀은 지하철 노선도에서 착안, 양자 세계를 '그래프(연결망 지도)'로 바꿔 표현하는 방법을 고안했다.

빛의 광자 수와 원자의 상태를 그래프의 '점(역)'으로, 하나의 상태에서 다른 상태로 옮겨 갈 가능성과 빛 파동의 위상을 '선(노선)'의 굵기와 색으로 표현했다.

그 결과 가장 단순한 양자계 안에도 두 종류의 점이 무수한 장거리 선으로 연결된 '반무한 그래프'가 존재함을 확인했다.

반무한 그래프는 한쪽 방향으로는 끝이 있지만 반대쪽으로는 시작점부터 무한히 길게 이어지는 구조를 가진다.

연구팀은 이 연결망의 복잡도를 하나의 숫자로 나타내는 '자기 라플라시안 지표'를 도입해 약결합부터 심층강결합까지 모든 구간을 하나의 연속적인 숫자로 구분하는데 성공했다.

서로 다른 크기의 부분 그래프를 각각 2만회 무작위로 구성해 분석한 결과, 강한 원자-빛 결합에서 양자 상태가 크게 변하는 핵심 원인이 위상 좌절임을 규명했다.

위상 좌절은 경로별 빛 파동의 위상이 서로 맞지 않아 상쇄되는 현상이다. 여러 갈래 길을 돌아 같은 지점에 도착했지만 신호가 서로 어긋나 움직임이 막히는 상황에 비유할 수 있다.

연구팀은 양자 그래프를 단순히 양자현상을 설명하는 도구에 머물게 하지 않고 실제 연산을 수행하는 새로운 광자 신경망으로 활용하는 것을 목표로 하고 있다.

박 교수는 "가장 단순한 양자 현상 내부에도 방대한 연결 구조가 숨어 있음을 밝혔다"며 "향후 하나의 원자와 빛의 상호작용을 제어하는 방식으로 인공신경망을 구현하는 연구를 이어갈 예정"이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 혁신연구센터(IRC), 중견연구, 신진연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 다학제 분야 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr