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- 웜홀은 적어도 이론적으로는 공간과 시간을 가로지르는 다리로 간주
- 1935년 초, 알버트 아인슈타인과 네이선 로젠은 블랙홀 형태의 특이점이 시공간의 서로 다른 영역 사이에 터널과 같은 연결을 만들 수 있다고 가정
- 양자물리학 웜홀의 한쪽 끝을 통해 큐비트를 보냈을 때 다른 쪽 끝에서 온전한 상태로 나왔다는 것이 밝혀져

양자 컴퓨터의 웜홀(Wormhole)

(웜홀은 우주에서 먼 거리를 가로질러 지름길로 여행할 수 있다고 하는 가설적 통로이다)
양자 실험은 얽힘과 시공간 기하학을 연결한다.

시공간 터널 테스트: 

물리학자들이 처음으로 양자 컴퓨터에서 양자-물리적 버전의 웜홀을 만들고 그러한 특이점을 통해 양자비트를 터널링했다. 이를 통해 아인슈타인-로젠 다리가 양자 물리적 얽힘에 해당한다는 이론을 포함하여 중력 웜홀과 양자물리학 사이의 근본적인 연결을 확인할 수 있다. Nature의 팀에 따르면 이것은 물리학의 근본적인 질문을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 양자 물리학 웜홀 실험이 "네이처" 이슈의 표지화면을 장식했다. © nature

웜홀은 적어도 이론적으로는 공간과 시간을 가로지르는 다리로 간주된다. 1935년 초에 물리학자 알버트 아인슈타인Albert Einstein 과 네이선 로젠Nathan Rosen은 블랙홀 형태의 특이점이 시공간의 서로 다른 영역 사이에 터널과 같은 연결을 만들 수 있다고 가정했다. 그러나 그러한 아인슈타인-로젠 다리가 극단적인 중력 조건에도 불구하고 통과할 수 있을지는 논쟁의 여지가 있다.

그러나 최근 몇 년 동안 웜홀의 개념은 시공간 터널을 새로운 시각으로 보는 양자물리학 확장을 거쳤다. 이에 따르면 아인슈타인-로젠 브리지(ER)는 터널 양 끝에서 입자나 정보 사이의 양자물리적 얽힘(EPR)에 해당한다. 이것은 웜홀이 특정 조건에서 통과할 수 있음을 의미한다. 이 개념은 처음으로 아인슈타인의 중력과 양자 물리학 및 양자 순간이동의 개념을 연결한다.

홀로그램 모델의 시공간 브리지

Harvard University의 Daniel Jafferis가 이끄는 연구원들은 이제 처음으로 실험에서 텔레포트와 웜홀의 이론적으로만 가정된 대응 관계를 조사했다. "우리는 중력 웜홀의 주요 기능을 나타내면서도 기존 양자 하드웨어에서 구현하기에 충분히 작은 양자 시스템을 발견했다"고 하버드 대학의 수석 저자인 Maria Spiropulu는 말했다.

이를 위한 출발점은 2017년 자페리스와 두 동료가 개발한 양자 시스템으로, 일반적인 웜홀의 중력 특성을 차원이 축소된 홀로그램 양자 모델로 "변환"한다. 소위 SYK 시스템 중 두 개가 양자 물리학적으로 얽혀 있다면 Jafferis가 2019년에 이론적으로 증명할 수 있었던 것처럼 통과 가능한 아인슈타인-로젠 다리에 해당한다.

▲ 물리학자들은 양자 컴퓨터에서 통과 가능한 웜홀의 양자 물리적 아날로그를 처음으로 테스트했다. © inqnet/ A. Mueller(Caltech)

웜홀을 통한 큐비트 전송

현재 실험을 위해 물리학자들은 구글의 Sycamore 양자 컴퓨터에서 실행할 수 있을 정도로 기계 학습의 도움으로 단순화된 웜홀 모델을 사용했다. 두 개의 얽힌 SYK 시스템은 164개의 2큐비트 게이트를 사용하는 9개의 양자비트 회로에서 실현되었다. "대략적인 특성에도 불구하고 이 단순화된 SYK 모델은 통과 가능한 웜홀의 주요 물리적 특징을 포함한다"고 연구원들은 보고했다.

구체적으로 물리학자들이 양자물리학 웜홀의 한쪽 끝을 통해 큐비트를 보냈을 때 다른 쪽 끝에서 온전한 상태로 나왔다는 것이 밝혀졌다. "우리는 또한 들어오는 입자가 웜홀에서 나오는 순서를 검사했다"라고 팀은 보고했다. ER=EPR이 유지되고 SYK 모델이 아인슈타인-로젠 브리지의 중력 메커니즘을 올바르게 나타내는 경우 큐비트는 동일한 순서로 웜홀 너머에 다시 나타나야 한다.

작은 첫걸음

연구원들에 따르면, 이 실험은 현대 물리학의 몇 가지 근본적인 질문에 대한 양자 물리 테스트를 향한 중요한 단계다. 무엇보다 여기에는 시공간 곡률로서의 중력에 대한 아인슈타인의 아이디어가 양자 및 입자 물리학과 어떻게 조화될 수 있는지에 대한 아직 해결되지 않은 질문이 포함됐다. "양자 얽힘, 시공간 및 양자 중력 사이의 연결은 기초 물리학에서 가장 중요한 질문 중 하나다"고 Spiropulu는 말했다.

"우리는 이 실험을 통해 양자 하드웨어를 사용하여 이러한 아이디어를 테스트하기 위한 첫 번째 작은 발걸음을 내딛을 수 있게 되어 기쁘다"며 "양자 컴퓨터를 사용하여 양자 중력의 개념을 테스트하려는 더 큰 실험의 출발점이다"고 Spiropulu는 설명했다. 팀은 이미 덜 단순화된 웜홀 아날로그를 더 복잡한 양자 컴퓨터 회로로 매핑하는 방법을 연구하고 있다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05424-3)
출처: Nature, California Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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