세계 최초, IBM 양자컴퓨터로 쿼크가 양성자가 되는 순간을 재현하다

수십 년 동안, 쿼크가 강한 핵력(strong nuclear force)을 통해 결합하여 양성자와 중성자를 형성하는 근본적인 과정인 '하드론화(hadronization)'는 이론적으로만 모델링되었을 뿐, 실제 양자 하드웨어에서 직접 시뮬레이션된 적은 없었습니다. 이러한 상황은 2026년, 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory, 이하 LBNL)의 연구원이 IBM 양자컴퓨터를 사용하여 이 과정을 최초로 시뮬레이션하는 데 성공하면서 바뀌었습니다 .

연구 성과의 핵심

LBNL의 연구원 **앤서니 시아바렐라(Anthony Ciavarella)**는 오크리지 리더십 컴퓨팅 시설(Oak Ridge Leadership Computing Facility, 이하 OLCF)의 '양자컴퓨팅 사용자 프로그램(QCUP)'을 통해 원격으로 IBM 양자컴퓨터에 접속, 하드론화(hadronization) 시뮬레이션에 성공했습니다. 하드론화는 쿼크가 강한 핵력을 통해 결합해 양성자, 중성자와 같은 합성 입자(하드론)를 형성하는 과정을 말합니다 . 이는 이 핵심 입자 물리학 과정을 양자 하드웨어로 시뮬레이션한 최초의 사례로, 기존의 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 계산을 위한 기반을 마련했습니다 .

이 연구는 2022년 LBNL의 물리학자 크리스티안 바우어(Christian Bauer), 마라트 프레이치스(Marat Freytsis), **벤자민 나흐만(Benjamin Nachman)**이 QCUP을 통해 유사한 접근법으로 양성자 충돌에서 방출되는 입자가 추가 입자를 방출할 확률을 계산한 초기 연구를 바탕으로 합니다 . 시아바렐라가 2026년 《피지컬 리뷰 D(Physical Review D)》에 발표한 이번 프로젝트는 특히 하드론화 과정 전체를 모델링하는 데 초점을 맞췄습니다 .

시뮬레이션을 가능하게 한 단순화 전략

현재의 양자 프로세서는 여전히 잡음(noise)이 많고 큐비트 수가 제한적입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 몇 가지 주요 단순화 전략을 채택했습니다 :

• 공간 차원 축소: 시뮬레이션은 완전한 3차원 공간이 아닌, 단순화된 1+1 차원 양자역학 모델에서 실행되었습니다 .
• 무거운 쿼크 한계 / 힐베르트 공간 절단(Hilbert space truncation): 이론은 1+1 차원의 SU(2) 격자 게이지 이론(lattice gauge theory)에 매핑되었으며, 무거운 쿼크 한계에서 힐베르트 공간의 절단이 적용되었습니다 . 이는 인코딩해야 할 양자 상태의 수를 극적으로 줄여주었습니다.
• 근사적 상호작용 (국소성, locality): 강력의 구속(confinement) 효과가 상호작용을 대략 하드론 크기로 제한하기 때문에, 연구진은 모든 큐비트가 서로 연결될 필요 없이 가까운 이웃 큐비트와만 상호작용하도록 시뮬레이션을 설계했습니다 . 이 덕분에 상호작용을 현재 기술로 구현 가능한 양자 게이트의 연속으로 변환할 수 있었습니다.
• 고전-양자 하이브리드 접근법: 연구팀은 유효장론(effective field theory)을 사용해 전체 계산을 구성 요소로 나누고, 일부는 고전 컴퓨터에서 실행하고 양자 집약적인 부분만 양자 프로세서에서 실행했습니다 .

핵심 발견: '끈 끊기(String Breaking)' 재현

이 양자 시뮬레이션은 기존의 고전적인 격자 QCD(양자 색역학) 계산에서 잘 알려진 현상인 **끈 끊기(String Breaking)**를 성공적으로 재현했습니다. 이 현상은 두 쿼크 사이의 강력장 끈(글루온 끈)이 끊어지면서 새로운 쿼크-반쿼크 쌍을 생성하는 메커니즘입니다 . OLCF의 기사는 이 프로젝트가 "끈 끊기 하드론화(string-breaking hadronization)"를 시뮬레이션하는 것임을 명시하고 있습니다 .

이 발견은 단순화된 양자 모델이 이전에 고전적인 격자 시뮬레이션으로만 접근 가능했던 강력의 본질적인 비섭동(non-perturbative) 동역학을 정확하게 포착했음을 입증합니다. 이 접근법이 단순한 계산상의 연습이 아니라 물리적으로 의미가 있음을 확인시켜 준 것입니다.

향후 계획

연구팀은 이 연구를 확장하기 위한 몇 가지 다음 단계를 제시했습니다 :

• 차원 확장: 단순화된 1+1 차원 모델에서 더 높은 공간 차원의 시뮬레이션으로 발전시킵니다.
• 근사치 완화: 자연 현상에 더 가까운 물리 문제로 나아가기 위해 필요한 단순화의 수를 줄입니다.
• 규모 확대: QCUP을 통해 제공되는 IBM의 100+ 큐비트 양자 시스템을 활용하여 고전 컴퓨터가 처리할 수 없는 더 크고 복잡한 시뮬레이션을 실행합니다.
• 오류 완화: 현재 양자 하드웨어에 내재된 잡음을 처리하기 위한 오류 완화 기술을 지속적으로 개발하고 적용합니다 .
• 충돌기 실험을 위한 직접 예측: 궁극적인 목표는 LHC(대형 강입자 충돌기) 데이터와 비교할 수 있는 하드론화에 대한 최초 원리(first-principles) 예측을 직접 제공하여 표준 모형(Standard Model)을 넘어선 새로운 물리학 탐색에 기여하는 것입니다 .