ICT/융합

칭화대학, 새로운 뇌 모방칩 개발

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최근, 칭화(清華)대학 등 기관의 공동연구팀은 세계 첫 이질구조 융합 기반 뇌 모방형 컴퓨팅 칩을 개발했다. 뇌 모방형 컴퓨팅 및 컴퓨터 기반 기계학습을 결합한 해당 칩의 융합기술은 컴퓨터과학 기반 인공 신경망 및 신경과학 기반 펄스 신경망 장점을 발휘함으로써 범용 인공지능 연구 및 발전을 추진할 전망이다. 원칙적으로 하나의 범용 인공지능 시스템은 인간이 수행할 수 있는 대부분 임무를 수행할 수 있다. 해당 성과는 "Nature"에 앞표지 문장으로 게재됐다. 인공지능 기술의 급속한 발전으로 다양한 분야에서 획기적 성과를 거두었지만 현재 주도적 지위를 차지하고 있는 독자적인 인공지능은 응용 분야에서 매우 큰 한계가 있다. 현 단계에서 범용 인공지능의 개발 방법은 주로 신경과학을 기반으로 인간 대뇌 시뮬레이션과 컴퓨터 과학에 의한 컴퓨터의 머신러닝 알고리즘 운행 등 두 가지 방법이다. 해당 두 가지 시스템에 사용되는 플래폼은 서로 다를 뿐만 아니라 상호 호환성이 불가능하기에 범용 인공지능의 발전을 크게 제한한다. 현재 양자의 융합은 범용 인공지능 개발의 최적 방안으로 간주되고 있다. 양자가 융합된 컴퓨팅 플랫폼 개발은 두 가지 시스템의 용합을 추진하는 핵심이다. "톈지(天機) 칩"으로 불리는 해당 융합칩에는 여러 개 고도의 재구성이 가능한 기능성 코어(Core)가 있기에 동시에 머신러닝 알고리즘 및 뇌 모방형 컴퓨팅을 지원할 수 있다. "톈지 칩"의 처리 능력을 검증하기 위해 연구팀은 해당 칩 구동의 자율주행 자전거를 개발했다. 테스트 과정에서 자율주행 자전거는 음성명령 인식, 자동평형 제어가 가능할 뿐만 아니라 앞방향 행인에 대한 탐측 및 추적이 가능하며 또한 자동으로 장애물을 회피할 수 있었다. 동 연구는 범용 인공지능 연구의 심층적 발전을 추진할 전망이다.

중국-국외 공동 연구팀, 무레이저 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원 달성

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최근, 중국과기대 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 독일 뷔르츠부르크대학(University of Würzburg), 영국 케임브리지대학(University of Cambridge) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 이중색 펄스 코히렌트 여기 이론을 구축하여 광(Light) 및 광자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 아이디어를 개척했다. 연구팀은 해당 방법으로 마이크로 캐비티 결합 반도체 퀀텀닷(Quantum dot) 시스템에서 무레이저(Laser free) 배경의 고효율 및 고품질 단일 광자원(Photon source)을 실험적으로 달성함으로써 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 양자 컴퓨팅 구현에 새 도구를 제공했다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재됐다. 전자기 펄스를 이용한 공명 구동 및 큐비트 조절은 이온 트랩, 고체상태 결함, 초전도 양자 회로 등을 포함한 다양한 물리시스템의 양자정보 기술에 광범위하게 응용된다. 하지만 단색광 기반 공명 여기 방법은 광자 품질의 향상과 함께 여기광의 백그라운드 소음을 유발한다. 해당 소음을 제거하려면 고정밀도 분극 필터링(Polarization filtering)을 이용해야 하는데 이는 50%의 효율 손실을 초래한다. 해당 손실은 여러 개 광자 조절 성공률을 감소시키기에 "보존 샘플링(Boson sampling)" 임무에서 클래식 컴퓨팅 능력을 초월하는 "양자패권(Quantum Hegemony)" 목표 달성의 걸림돌이 되고 있다. 상기 문제를 해결하기 위해 연구팀은 이중색 펄스 코히렌트 여기 방법을 설계함과 아울러 2개 위상 고정 기반 이중색 이조 펄스(Detuning pulse)를 이용해 양자 2준위계(Two-level system)를 여기시켰다. 이론과 실험을 결합한 연구 방법을 통해 이중색 이조 펄스 결합은 이조 현상을 감소킴으로써 2준위계 양자 시스템을 효과적으로 구동시킬 수 있는 동시에 주파수가 단일 광자와 중첩되지 않기에 직접 주파수 필터링을 통해 레이저를 효과적으로 제거하여 고품질의 단일 광자를 획득할 수 있음을 발견했다. 해당 새 방법 및 실험기술은 광 및 2준위계 원자의 상호작용 등 기본 양자광학 문제 연구에 새 방법을 제공했을 뿐만 아니라 "양자패권" 과학 목표 달성을 향해 튼튼한 한걸음을 내디디었다.

두께가 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는 2개 모델의 유연성 칩 개발

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최근, 저장성(浙江省)유연전자지능기술세계연구센터 연구팀은 자체로 개발한 유연성 칩 기술을 기반으로 두께가 25μm미만인 2개 모델의 유연성 칩을 개발했다. 해당 칩의 두께는 머리카락 지름의 1/4도 되지 않는다. 해당 2개 모델의 칩은 오피앰프 칩(Operational amplifier chip) 및 블루투스 SoC 칩이다. 오피앰프 칩은 아날로그 신호를 증폭 처리할 수 있고 블루투스 SoC 칩은 프로세서 및 블루투스 무선통신 기능을 통합했다. 전통적인 칩에 비하여 해당 칩은 아주 얇을 뿐만 아니라 유연성이 뛰어나 2개 손가락 사이에 놓고 가볍게 누르면 아크형으로 변형된다. 유연성 칩 기술은 특수한 웨이퍼(Wafer) 두께 감소 공법, 역학적 설계 및 패키징 설계를 통하여 칩 두께를 머리카락의 1/4 이하로 감소시킴으로써 강성(Rigidity) 실리콘 칩이 유연성 및 굽힘 변형 특성을 나타내게 한다. 유연성 전자 제조 분야에서 실리콘 기반 집적회로의 유연성 달성은 아주 어렵다. 유연성 칩은 인공지능 및 의료 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 유연성 칩 기술을 이용하여 더욱 가볍고 얇은 유연성 전자 감지 시스템을 설계하여 로봇 및 인체에 더욱 적합하게 함으로써 환경 및 인체에 대한 감지 민감성을 더 한층 향상시킬 전망이다.

국제 공동 연구팀, 전문용 광양자 아날로그 칩 개발

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최근, 덴마크, 중국, 영국 과학자로 구성된 국제 공동 연구팀은 실리콘 기반 광양자 칩 기술을 이용하여 통합화 전문용 광양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이터를 개발했다. 해당 연구성과는 “Nature Physics”에 게재됐다. 양자정보의 효과적 전송, 처리 및 컴퓨팅 달성은 양자컴퓨터 발전을 추진하는 핵심이다. 양자컴퓨터는 고전컴퓨터를 초월하는 강대한 컴퓨팅 능력을 보유하고 있기에 고전컴퓨터로 해결할 수 없는 특수하고도 중요한 문제를 해결할 수 있다. 양자컴퓨터 발전 과정에서 두 가지 주요 기술적 어려움을 해결해야 한다. 1) 거대하고 제어 가능한 양자 소자 및 양자 시스템을 구축해야 하고 2) 다체 단일 양자 상태를 제조 및 제어함으로써 양자정보 전송, 처리 및 컴퓨팅 등 기능을 달성해야 한다. 실리콘 기반 나노 통합화 광양자 칩 기술은 상기 어려움을 해결하는 가장 잠재력이 있는 방법이다. 연구팀은 최적화 설계, 고성능 실리콘 기반 통합화 단일 광자원(Photon source) 어레이 가공을 통하여 8개 광자 양자상태를 제조함과 아울러 12가지 모델 저소모 도파관 어레이 구조에서 고품질의 양자간섭을 달성했다. 칩의 비선형 양자 광원 어레이 재구성을 통해 해당 광양자 처리장치 칩으로 촉발형 보즈 샘플링(Triggered bose sampling) 및 가우스 보즈 샘플링(Gauss bose sampling) 알고리즘을 포함한 두 가지 종류의 중요한 양자 보즈 샘플링 알고리즘을 달성할 수 있다. 연구팀은 또한 양자 보즈 샘플링을 이용하여 화학 분자에서 고유진동 형식의 동적 진화 과정을 시뮬레이션 했다. 이는 복잡한 물리화학 시스템에서 광학 전문용 양자컴퓨터 응용에 유력한 실험 근거를 제공했다. 연구 분석 결과, 칩의 소자 성능을 심층적으로 최적화할 경우 약 20개 광자 기반의 전문용 양자컴퓨터 및 양자 시뮬레이터를 구현함과 아울러 일부 복잡한 물리화학 시스템의 양자 시뮬레이션 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 실리콘 기반 광자 통합화 칩 기술은 아주 강대한 기술로서 양자정보의 다양한 분야에 광범위하게 응용될 수 있다. 광양자 기술과 실리콘 기반 광자 통합화 기술 결합은 미래 양자 기술 분야에서 중요한 역할을 발휘할 전망이다. 동 연구는 덴마크기술대학(Technical University of Denmark) 딩윈훙(丁運鴻), 베이징대학 왕젠웨이(王劍威), 영국 브리스틀대학(University of Bristol) Stefano Paesani 등이 공동으로 수행했다.

중국과기대, 최초로 완전 광양자 중계 구현

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 세계 최초로 완전 광양자 중계기 원리성 검증을 실험적으로 구현함으로써 원거리 광섬유 양자 네트워크 구축에 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 “Nature Photonics”에 온라인으로 게재되었다. 원거리 양자통신 과정에서 채널전달의 양자상태는 흔히 통신거리가 증가함에 따라 기하급수적으로 감소한다. 이는 양자통신의 유효 전송거리를 크게 제한한다. 따라서 원거리 양자통신 구현은 줄곧 세계적인 연구과제이다. 기존의 두 가지 주요 해결방법에서 하나는 거의 진공 즉 양자신호 손실이 극히 적은 우주공간에서 위성으로 양자통신 거리를 늘리는 것인데 중국은 2016년에 세계 첫 양자과학실험위성 “뭐쯔호(墨子號)”를 발사해 동 방안의 실행가능성을 성공적으로 검증했다. 다른 하나는 광섬유 네트워크에서 양자중계기를 사용하는 것인데 장거리 광섬유 채널을 여러 개 단거리 채널로 분할해 거리 증가에 따른 양자신호의 기하급수적 감쇠를 없앰으로써 양자통신 거리를 늘린다. 양자중계기의 과학·응용 가치를 감안해 세계 각국은 각축전을 벌이고 있다. 기존의 양자중계기는 얽힘교환, 얽힘정제, 양자저장 등 3개 필수불가결한 기술을 기반으로 한다. 하지만 현재 양자저장 성능의 한계로 실용화 양자중계기 탄생까지는 시간이 필요하다. 완전 광양자 중계방안은 이론적으로 양자저장을 필요로 하지 않는 양자중계기를 구현할 수 있다. 이는 양자중계기를 사용한 원거리 광섬유 양자통신 네트워크 구축에 또 하나의 가능성을 제공한다. 연구팀은 먼저 원시적 완전 광양자 중계방안을 개선함과 아울러 실험적으로 가능성 있는 방안을 설계했다. 해당 방안에 따라 연구팀은 광자 GHZ상태 및 후선택 벨측정을 이용해 서로 다른 채널 간 광자쌍의 임의적 연결을 구현함으로써 양자채널 중 얽힘상태 분배의 성공 확률을 효과적으로 향상시켰다. 그 다음 6개 단독 파라미터 조건에서 전환시킨 2광자 얽힘원을 사용해 12광자 기반 완전 광양자 중계기를 실험적으로 구축하는데 성공했다. 연구팀은 해당 양자중계기의 각 방면 성능을 테스트함과 아울러 얽힘교환 방안과의 비교우위를 실험적으로 검증했다. 실험 결과, 완전 광양자 중계기는 양자상태 전송속도를 효과적으로 향상시킴으로써 양자통신의 전송거리를 늘릴 수 있다. 해당 연구는 완전 광양자 중계기 구현 가능성을 성공적으로 검증했다. 또한 원리적으로 양자중계기 구축시 양자저장기로부터 자유롭게 하는 등 실용화 양자중계기 연구의 새 경로를 개척했다.

클록 주파수 3.0GHz에 달하는 CPU 개발

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상하이자오신(兆芯)집적회로유한회사는 차세대 16nm 3.0GHz x86 CPU 제품-카이셴(開先) KX-6000 및 카이성(開勝) KH-30000 시리즈 처리장치를 개발했다. 이는 중국 첫 클록 주파수(Clock frequency)가 3.0GHz에 달하는 중국산 범용프로세서(General purpose processor, GPP)로서 세계 선진 수준과의 차이를 한층 더 단축시켰다. 자오신 차세대 처리장치의 단일 SoC 칩은 CPU, GPU 및 칩셋 등을 포함하며 고성능 및 저전력소비 등 특성을 보유하고 있다. 또한 칩 집적도가 한층 더 증강되었고 성능이 50% 향상되었으며 성능대 전력소모비가 자오신 지난 세대 제품의 3배에 달함으로써 PC, 울트라북, 서버 및 내장형 컴퓨팅 등 다양한 하드웨어 플랫폼에 아주 적합하다. 그중 카이셴 KX-6000 시리즈 처리장치는 모바일 플랫폼 설비의 배치 요구에 더욱 적합하며 그 성능은 인텔 7세대 i5-7400 수준에 해당한다. 자오신 차세대 카이셴 KX-6000/카이성 KH-30000 시리즈 처리장치는 16nm의 규모화 생산, 최대 클록 주파수가 3.0GHz에 달하는 SoC 처리장치, 단일 칩에 CPU/GPU/칩셋 집적, 구현 가능한 완정한 PC 인터페이스 등을 포함한 다양한 기술 분야에서 업계의 선두를 달리고 있다. 또한 여러 업체의 PC 플랫폼에서 동기화 개발 및 소프트웨어 호환성 테스트를 완료함과 아울러 내장형 분야에서도 다양한 모델 제품을 동시에 출시했다.

중국과기대, 최초로 새로운 원거리 양자암호키분배 프로토콜 제안

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최근, 중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 최초로 위상 무관성 후선택(Postselection) 기반 쌍필드(TF) 양자암호키분배(QKD) 프로토콜을 이론적으로 제안함으로써 무중계(Without relay) 장거리 도시 간 양자암호키분배 네트워크 구축에 중요한 한걸음을 내디디었다. 해당 이론 및 실험성과는 "Applied Physics Reviews" 및 "Physical Review X"에 각각 게재됐다. QKD는 무조건 보안 비밀통신의 가능성을 열어주었지만 실제 QKD 시스템은 채널 소모의 제한으로 암호키 생성률이 채널 길이의 증가에 따라 뚜렷하게 감소된다. 검증에 의하면 암호키 생성률은 채널 전송 효율의 감소에 따라 선형 감소된다. 2018년 영국 과학자가 쌍필드 QKD 프로토콜을 제안했다. 해당 프로토콜을 기반으로 단일 광자 응답을 이용하여 암호키를 생성할 수 있으며 해당 암호키 생성률은 채널 효율의 제곱근 감소에 따라 감소된다. 장거리 채널 상황에서 해당 암호키 생성률은 뚜렷한 장점을 가지지만 해당 코딩 모델의 위상 랜덤화 및 후선택은 시스템 암호키 생성률을 뚜렷하게 감소시키기에 구현 복잡도를 증가시킨다. 연구팀은 새로운 TF-QKD 프로토콜을 제안함과 아울러 안전성을 입증했다. 새로운 프로토콜의 코딩 모델은 위상 랜덤화 및 후선택이 필요 없기에 프로토콜 효율을 뚜렷하게 향상시킴과 아울러 구현 복잡도를 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라 짧은 채널 길이 조건에서 선형 한계를 극복함으로써 암호키 생성률을 뚜렷하게 향상시켰다. 연구팀은 최초로 광학적 위상 로크 루프(Optical phase lock loop) 및 피드백 제어 방안을 파악했고 2세대의 독립 레이저 간 안정성 1차 간섭을 달성했으며 코히렌트 광필드 제조 기술 어려움을 해결했다. 연구팀은 또한 원거리 광섬유 채널 쾌속 위상 보상 제어 기술을 설계·구현함으로써 150Km의 1차 광학적 간섭을 획득했다. 최종적으로 300Km 광섬유 채널에서 TF-QKD 원리 검증 시스템을 구현함으로써 암호키 생성률이 2kbps에 달하여 선형 한계를 극복했다. 해당 암호키 생성률은 선형 한계의 약 3배이다. 동 성과는 무중계 조건에서 원거리, 도시 간 높은 암호키 생성률 전송 및 네트워킹의 가능성을 입증했으며 양자 중계가 단시일 내에 실용화되기 어려운 상황에서 광범위, 원거리 양자 비밀통신 네트워크에 응용될 전망이다.

중국과기대, 새로운 양자 불확정성 등식 관계 실험적 검증

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최근, 중국과기대 마이크로자기공명중점실험실 두장펑(杜江峰)/펑신화(彭新華) 연구팀은 상하이교통대학 마즈하오(麻志浩) 연구팀 등과 공동으로 최초로 새로운 양자 불확정성 등식 관계를 실험적으로 검증했다. 해당 연구성과는 "Uncertainty equality with quantum memory and its experimental verification"라는 제목으로 "npj Quantum Information"에 게재됐다. 불확정성 관계는 양자물리의 주요한 특성이며 양자역학에서 주요한 지위 및 광범위한 응용 전망을 보유하고 있다. 예를 들면 불확정성 관계에 대한 관련 연구를 통하여 중력파 간섭계에 요구되는 저잡음 기술을 발전시킬 수 있기에 양자 정밀 측정, 양자통신 등 양자정보 처리 분야에서 핵심 역할을 일으킬 수 있다. 1927년 하이젠베르크(Heisenberg)는 미시적 세계에서 1개 입자(예를 들면 원자핵 주위 전자)의 일부분 물리량에 대한 정밀 측정에 한계가 있기에 1개 입자의 위치 및 운동량을 동시에 정밀하게 측정할 수 없다는 불확정성 관계를 최초로 제안했다. 1983년, University of Oxford 교수 David Deutsch(양자컴퓨터 창시자 중 한 명)가 특수 상황에서 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 제안한 후 Kraus가 일반 상황에서의 가설을 제안했으며 그 후 Maassen와 Uffink가 일반 상황에서 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 입증했다. 2010년, 스위스 과학자 Renner 프로젝트팀은 폰 노이만(Von Neumann) 조건 엔트로피를 이용하여 양자얽힘 보조 상황에서 이량체 양자상태 엔트로피 형식의 불확정성 관계를 제안한 후 2011년, 2개 프로젝트팀은 독립적으로 실험을 수행하여 해당 결과를 검증했다. 닐스 보어(NielsHenrik David Bohr)가 1927년에 제안한 상보성 원리는 코펜하겐 해석(Complimentarity principle)의 기반으로써 임의적 1쌍의 비호환성 관측량은 불확정성 관계이기에 그 중의 1개 관측량의 불확정성이 작을수록 다른 1개 관측량의 불확적성은 더욱 큼을 의미한다. 1999년, University of Vienna 교수 Zeilinger와 Brukner는 선형 엔트로피를 이용하여 비편향 측정 조건에서 양자 측정으로 획득한 정보량을 정량적으로 분석했다. 결과, 모든 비편향 측정 조건에서 획득한 정보량은 양자 상태의 선형 엔트로피에 의하여 결정됨을 발견했다. 그러나 해당 연구는 단량체 양자 상태 관련 결과로서 양자얽힘이 미치는 영향을 고려하지 않았다. 최근, 상하이교통대학 수학과학학원 마즈하오는 난징(南京)대학 우성쥔(吳盛俊), 저장(浙江)공업대학 천즈화(陳芝花), 서우두(首都)사범대학 페이사오밍(費少明) 등과 공동으로 양자얽힘 보조 조건에서 비편향 측정을 만족하는 불확정성 관계를 제안했다. 해당 이론에 의하면 만약 양자얽힘을 고려할 경우 비편향 측정 조건에서의 불확정도 합은 초기 양자 상태 조건에서의 선형 엔트로피와 맞먹는다. 해당 결과는 양자암호키분배 등 양자통신에 응용됐다. 그 후 두장펑(杜江峰)/펑신화(彭新華) 연구팀은 교묘하게 실험을 설계함으로써 완전한 양자상태 토모그래피를 요구하지 않는 조건에서 선형 엔트로피에서 규정한 불확정도의 직접 측정을 달성했으며 양자얽힘을 포함한 이량체 시스템의 불확정성 관계 등식을 검증했다. 동 실험에서 이용한 실험 수단 및 데이터 처리 방법은 기타 물리 시스템에도 양호한 적용성 및 확장성을 보유하고 있다. 실험 결과는 이론적 예측에 비교적 일치함으로써 최초로 양자얽힘 보조를 지닌 불확정성 등식 관계의 실험적 검증을 달성했다. 불확정성 관계는 양자물리 시스템에 대한 측정 결과의 근본적 제한으로서 양자얽힘(메모리)을 지닌 새로운 양자 불확정성 관계이며 양자물리의 본질을 심층적으로 규명하는데 중요한 과학적 의미가 있다. 이외에 불확정 관계 등식은 기존의 일반적인 불확정성 관계 부등식에 비하여 더욱 정밀하기에 양자통신, 양자 정밀 측정 등 양자정보기술의 응용에서 중요한 장점을 보유하고 있다.

새로운 양자상태의 발견으로 극저온양자 시뮬레이션 연구기회 제공

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최근 중국과기대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀은 최초로 보즈-아인슈타인 응축물에서 폭넓은 d파 포텐셜형 산란공명을 관측함과 아울러 d파 분자 초유동의 존재를 간접적으로 입증했다. 이번 실험적 발견은 초저온 원자 양자시뮬레이션 연구에 새 가능성을 제공했을 뿐만 아니라 고차 부분파(partial wave) 상호작용 주도의 소체/다체 양자물리 연구를 위한 토대를 닦았다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재되었다. 입자 간 충돌산란은 기본적이면서도 중요한 상호작용이다. 원칙적으로 우주탄생 초기의 원소생성은 물론 일상생활속의 화학반응 모두 산란 양자이론으로 묘사할 수 있다. 산란 파동함수의 대칭성에 근거해 산란 과정을 등방성의 s파와 비등방성의 p, d파 등 고차 부분파로 나눌 수 있다. s파 산란에 비해 고차 부분파 주도의 양자 다체시스템은 보다 풍부하고 흥미로운 현상을 나타낸다. 하지만 고차 부분파 산란 과정은 너무 복잡하고 이론 계산에 필요한 자원이 클래식 컴퓨팅의 능력을 크게 초과해 관련 물리현상에 대한 이해를 제한하고 있다. 연구팀은 최초로 보즈-아인슈타인 응축물에서 폭넓은 d파 포텐셜형 공명을 관측했다. 산란공명 부근에서 보즈-아인슈타인 응축물의 수명은 수백 밀리초에 이르러 다체시스템의 평형시간보다 훨씬 길었다. 아울러 d파 공명은 초저온, 넓은 공명 대역폭, 장수명 등 3대 요소를 동시에 보유하기에 d파 상호작용 기반의 양자시뮬레이션 연구에 더할 나위 없는 플랫폼을 제공했다. 심층적 연구결과, 주사자기장이 일정 속도로 공진점을 통과시 시스템은 원자와 d파 분자 간 결맞음 전환을 달성했고 장수명의 집단여기진동을 자발적으로 발생했다. 집단진동 주파수, 진폭, 원자수 정밀측정 및 주사자기장 속도와의 관계 분석을 통해 시스템 내부에 이미 대량의 초저온 d파 분자가 존재함을 입증했다. 해당 연구결과는 d파 분자가 이미 새로운 양자물질 상태—d파 분자 초유동을 형성했음을 설명한다. 해당 연구는 향후 d파 분자 초유동 연구에 기반을 마련했다.

중국과기대, 인공지능으로 단백질 "광학지문" 최초로 예측

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최근 중국과기대학 미세규모물질과학국가연구센터 장쥔(江俊) 연구팀은 인공지능 기계학습의 신경망기술로 단백질 펩티드결합 구조 및 성질 간 구조-활성 상관관계를 시뮬레이션하여 연산량을 대폭 줄였다. 해당 성과는 단백질의 광학특성을 예측하는데 고효율적 도구를 제공했다. 해당 성과는 "미국국립과학원회보(PNAS)"에 게재되었다. 단백질의 스펙트럼 응답신호, 특히 자외선스펙트럼은 단백질 골격의 "지문"이라 불린다. 해당 "광학지문"은 이론적 시뮬레이션 해석을 통해 단백질 구조를 정확하게 규명할 수 있어 생명과학 및 의학진단에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 하지만 단백질 구조는 매우 복잡다변 하여 대량의 고정밀 양자화학 이론적 연산이 필요하고 관련 연산량도 너무 많아 슈퍼컴퓨터마저 소화해내기 어렵다. 단백질 스펙트럼 이론적 해석은 장기적으로 해결하기 어려운 문제로 남아 스펙트럼적 정확 분석 및 단백질 구조 새발견을 제한하고 있다. 연구팀은 먼저 300K 온도에서 분자동역학적 시뮬레이션 및 양자화학적 연산을 통해 5만 개 서로 다른 구조의 펩티드결합 분자모형을 획득했다. 다음 기계학습 알고리즘으로 결합길이 및 결합각을 선별하고 이면각과 전하정보를 기술자(descriptor)로 함과 아울러 신경망을 통해 펩티드결합 기저상태 구조 및 들뜬상태 성질 간 구조-활성 상관관계를 구축했다. 그 다음 훈련된 기계학습모델에 기반해 펩티드결합의 기저상태 쌍극자모멘트 및 들뜬상태 성질을 예측했다. 마지막으로 펩티드결합의 자외선흡수스펙트럼을 예측했다. 기계학습모델의 강건성(Robustness)을 검증하기 위해 연구팀은 또다시 300K 온도에서 획득한 기계학습모델에 기반해 200K 및 400K 온도에서의 펩티드결합 자외선흡수스펙트럼을 예측한 결과 시간-밀도범함수이론 연산 결과와 매우 일치했다. 이는 인공지능기술이 최초로 이론적 연산을 통한 단백질 스펙트럼 예측 연구에 이용된 사례이다. 이론적 연산으로 획득한 대량 데이터를 인공지능으로 훈련시킨 후, 단백질 펩티드결합 골격 자외선흡수스펙트럼에 있어 기계학습 시뮬레이션의 타당성 및 장점을 확립했다. 따라서 단백질의 "광학지문" 해석은 보다 효과적이고 쉬워질 전망이다.