양자 컴퓨터, 물질이 '갑자기 나타나는' 현상 시뮬레이션

듀크 양자 센터(DQC)가 이끄는 연구팀은 양자 시뮬레이터를 사용하여 입자-반입자 형성과 연결된 스트링 단절 역학을 관찰했으며, 이는 양자 물리학 분야에서 이와 같은 현상을 보여준 최초의 사례 중 하나로 기록되었습니다.

9월 23일 Nature Physics에 발표된 이 연구는 포획 이온 양자 컴퓨터가 기초 물리학의 가장 깊은 질문 중 일부를 탐구하기 위한 강력한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 이 실험은 두 개의 연결된 물질 구성 요소가 서로 떨어져 당겨지다가, 연결이 끊어질 때 새로운 입자가 효과적으로 "튀어나올" 만큼 많은 에너지가 축적되는 스트링 단절(string breaking)로 알려진 과정을 시뮬레이션했습니다.

"양자 컴퓨터 시뮬레이션은 빅뱅 자체를 목격하는 것 외에 물질 형성과 같은 복잡한 문제를 조사할 수 있는 최고의 플랫폼을 제공합니다"라고 이 연구를 이끈 듀크 대학의 Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor인 전기 및 컴퓨터 공학 및 물리학 교수 Christopher Monroe는 말했습니다. "이러한 발견은 양자 과학 분야의 눈부신 발전을 시사하며, 스트링 단절 역학을 이해하기 위한 새로운 길을 열어줍니다."

이 연구는 메릴랜드 대학교(UMD), 옥스퍼드 대학교, 캘리포니아 공과대학교, 코넬 대학교 및 KU Leuven의 연구원들이 포함된 국제 공동 연구를 통해 수행되었습니다. 이 연구 결과는 서로 다른 유형의 양자 컴퓨팅 하드웨어를 사용하여 유사한 물리학을 재현한 다른 팀들의 최근 발표된 두 연구와 함께 게재되었습니다.

쿼크를 단순히 떼어낼 수 없는 이유

쿼크는 알려진 가장 근본적인 물질의 구성 요소 중 하나입니다. 쿼크는 양성자와 중성자 같은 입자 내부에서 발견되며, 원자보다 약 10억 배 더 작습니다. 과학자들은 쿼크가 보통 서로 단단히 결합되어 있기 때문에 현재 고립된 쿼크를 직접 관찰할 수 없습니다.

이를 시각화하는 한 가지 방법은 팽팽하게 늘어난 끈으로 연결된 두 개의 작은 전하 입자를 상상하는 것입니다. 이들이 멀리 떨어질수록, 그들 사이의 연결에 더 많은 에너지가 저장됩니다.

결국, 추가적인 전하 입자를 생성할 수 있을 만큼 충분한 에너지가 축적될 수 있습니다. 이는 아인슈타인의 유명한 방정식인 E=mc²을 통해 질량과 에너지가 연관되어 있기 때문에 가능합니다. 하나의 분리된 쌍으로 끝나는 대신, 원래의 연결이 끊어지고 새로운 입자 쌍이 형성됩니다.