양자컴퓨팅 기술이 우주의 궁극적인 변화를 예측하는 물리학 연구에 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 최근 과학자들이 양자컴퓨터를 활용하여 **우주의 종말을 시뮬레이션하는 데 성공**하면서, 양자역학과 천체 물리학 연구에 혁신적인 도구가 될 것이라는 기대가 커지고 있습니다.
영국 리즈대학교(University of Leeds) 물리천문학부의 즐라트코 파픽(Zlatko Papić) 교수와 독일 율리히 물리학연구소(Jülich Research Centre)의 자카 보뎁(Zaka Bodep) 연구원이 이끄는 공동 연구팀은 양자컴퓨팅을 활용한 우주 변화 예측 연구를 수행했고, 그 결과를 2024년 3월 4일 국제 학술지 **‘네이처 피직스(Nature Physics)’**에 발표했습니다.
1. 가짜 진공 이론 – 우주는 안정적인가?
양자장 이론(Quantum Field Theory)에 따르면, 현재의 우주는 **‘가짜 진공(False Vacuum)’ 상태**에 있을 가능성이 있습니다. 진공이란 에너지 수준이 국소적으로 최솟값을 갖는 상태를 의미하며, 가짜 진공은 더 낮은 에너지를 가진 **‘진짜 진공(True Vacuum)’** 상태로 전환될 수 있습니다.
홍성욱 한국천문연구원 책임연구원은 “현재 우주는 안정적으로 보이지만, 만약 가짜 진공 상태라면 어느 순간 진짜 진공으로 전환될 가능성이 있다. 만약 이 과정이 시작된다면 기존의 우주는 사라질 수 있다”고 설명했습니다. 다만, 이러한 변화가 일어나기까지는 **천문학적으로 오랜 시간이 걸릴 것**으로 예상됩니다.
가짜 진공 붕괴란?
- 현재의 우주가 ‘가짜 진공’ 상태라면, 더 안정적인 ‘진짜 진공’으로 전환될 수 있음
- 이 과정이 발생하면 기존 우주는 더 이상 유지될 수 없고, 붕괴하거나 새로운 형태로 재구성될 가능성이 있음
- 진짜 진공이 생성되는 과정에서 우주 공간에 ‘거품(Bubble)’이 형성됨
- 과학자들은 이를 시뮬레이션하여 **우주의 미래 변화를 연구**
2. 양자컴퓨팅이 필요한 이유
가짜 진공 붕괴를 연구하는 것은 기존 컴퓨터로 계산하기 매우 어려운 문제였습니다. 왜냐하면, 입자들이 상호작용하는 과정에서 연산량이 기하급수적으로 증가하기 때문입니다. 따라서 기존 알고리즘으로는 정확한 계산이 불가능에 가까웠습니다.
이에 연구팀은 **양자컴퓨팅 기술을 활용하여 문제를 해결**했습니다. 이번 연구에는 캐나다의 양자컴퓨팅 기업인 **디웨이브 퀀텀(D-Wave Quantum)**의 **양자 어닐러(Quantum Annealer)**가 사용되었습니다.
양자 어닐러(Quantum Annealer)란?
- 특정 유형의 최적화 문제를 해결하는 데 특화된 양자컴퓨터
- 고전적인 컴퓨터로 계산이 어려운 양자역학적 문제를 직접 시뮬레이션 가능
- 범용 양자컴퓨터(Gate-based Quantum Computer)와는 다른 방식으로 동작
연구팀은 **5564 큐비트(Qubit)급 양자 어닐러**를 활용하여 가짜 진공 상태에서 진짜 진공이 생성되는 과정을 시뮬레이션했습니다. 연구에 따르면, 가짜 진공이 붕괴될 때 공간의 일부가 진짜 진공 상태로 변화하면서 **‘우주 거품(Cosmic Bubble)’**이 형성되는 현상이 나타났습니다.
3. 연구 결과 – 우주의 변화 시뮬레이션 성공
연구팀은 이번 시뮬레이션을 통해 **가짜 진공이 붕괴하는 과정과 우주 거품이 형성되는 패턴을 관찰**하는 데 성공했습니다. 이 연구는 기존 이론이 단순한 시뮬레이션으로만 검토되던 것을 넘어, 실제로 **보다 복잡한 환경에서도 분석할 수 있는 가능성**을 보여주었습니다.
홍성욱 연구원은 “이전에는 극도로 단순화된 조건에서만 가짜 진공 붕괴를 이론적으로 분석할 수 있었지만, 이번 연구를 통해 **더 복잡한 시나리오를 시뮬레이션할 수 있는 길이 열렸다**”고 평가했습니다.
연구의 주요 성과
- 기존 슈퍼컴퓨터로 불가능했던 **복잡한 양자역학 문제를 해결**
- 가짜 진공 붕괴의 징후를 시뮬레이션하여 **우주의 변화 가능성을 연구**
- 양자컴퓨팅이 **천체 물리학 연구 도구로 활용될 수 있음**을 증명
4. 양자컴퓨팅과 우주 연구의 미래
이번 연구는 양자컴퓨팅이 물리학 실험 도구로 활용될 수 있는 가능성을 제시한 중요한 사례입니다. 앞으로 양자컴퓨팅 기술이 발전하면서, 더욱 정교한 우주 시뮬레이션이 가능해질 것으로 기대됩니다.
향후 연구 방향
- 더 많은 큐비트를 활용한 정밀한 시뮬레이션
- 양자컴퓨터를 이용한 블랙홀과 암흑 물질 연구
- 우주의 팽창 및 다중 우주 이론 검증
