양자 중첩 ‘슈뢰딩거 고양이’에서 단일 고양이 큐비트 오류 제거 장치
물리학자들이 양자 계산에서 가장 까다로운 오류를 수정하는 기능을 결합한 새로운 장치인 오류 수정 고양이(error-correcting cat)를 개발했다.
양자 중첩(superposition)을 성명하는 슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger’s cat) 개념 즉, 한 번에 두 상태에 존재하는 양자 시스템을 위해 개선한 성과다.
큐비트(qubits)라고하는 깨지기 쉬운 양자 비트 사이에서 발생하는 오류 흐름을 수정하는 동시에 작업을 수행하는 이 연구는 네이처(Nature) 저널에 실렸다.
선임 저자는 예일 대학 물리학 교수 마이클 드보렛(Michel Devoret)이다. 이 연구의 공동 제1저자는 현재 스위스 PSI(Paul Scherrer Institute)의 과학자로 드보렛 연구소의 전 박사후연구원 알렉산더 그림(Alexander Grimm)과 Devoret 연구소의 대학원생 티콜라스 그레티니(Nicholas Frattini)다.
예일(Devoret, Robert Schoelkopf 및 Steven Girvin 등)은 20년에 걸친 획기적인 양자 연구를 계속해서 구축하고 있다. 양자 컴퓨터를 구축하는 예일의 접근 방식은 “회로 QED”라고하며 초전도 마이크로파 공진기에 마이크로파 빛 (광자) 입자를 사용한다.
기존 컴퓨터에서 정보는 0 또는 1로 인코딩됩니다. 계산 중에 발생하는 유일한 오류는 “비트 플립(bit-flips)”입니다. 이는 정보 비트가 실수로 0에서 1로 또는 그 반대의 경우도 마찬가지다. 이를 수정하는 방법은 중복성을 구축하는 것이다. 3 개의 “물리적”정보 비트를 사용하여 하나의 “효과적인”또는 정확한 비트를 보장한다.
반대로, 큐비트는 비트 플립과 “위상 플립(phase-flips)”의 영향을받는다. 여기서 큐비트는 양자 중첩, 즉 두 개의 반대 상태가 동시에 존재할 때 그 사이에서 무작위로 플립된다.
지금까지 양자 연구자들은 더 큰 중복성을 추가해 오류를 수정하려고 시도했으며 각 유효 큐비트에 대해 풍부한 물리적 큐비트를 필요로했다.
중첩의 개념을 설명하는 데 사용되는 유명한 역설인 슈뢰딩거의 고양이의 이름을 딴 고양이 큐비트가 도입되는 부분이다. 착상은 방사능 소스와 방사능 물질의 원자가 붕괴하면 발동될 독이있는 밀폐된 상자에 고양이를 넣는 것이다. 양자 물리학의 중첩 이론은 누군가가 상자를 열 때까지 고양이는 살아있고 죽은 상태이며 상태의 중첩이라고 제안한다.
고양이를 관찰하기 위해 상자를 열면 갑작스럽게 양자 상태가 무작위로 변경되어 살아 있거나 죽게된다. 한 가지 유형의 오류를 직접 억제할 수 있도록 단일 물리적 시스템에서 정보를 인코딩하는 영리한 방법은 어떨까. 드보렛에 따르면 하나의 유효 큐비트를 유지하는 데 필요한 여러 물리적 큐비트와 달리 단일 고양이 큐비트는 자체적으로 위상 반전을 모두 방지할 수 있다.
고양이 큐비트는 단일 전자 회로 내에서 두 상태의 중첩으로 유효 큐 비트를 인코딩한다. 초전도 마이크로파 공진기로 연구팀은 기존의 초전도 큐비트보다 훨씬 단순한 장치에 마이크로파 주파수 신호를 적용 했다.
연구원들은 명령에 따라 고양이 큐비트를 중첩 상태 중 하나에서 다른 중첩 상태로 변경할 수 있다고 설명했다. 또한 연구원들은 큐비트로 인코딩 된 정보를 읽거나 식별하는 새로운 방법을 개발했다.
드보렛은 “이것은 우리가 초전도 회로를 사용하는 양자 계산의 여러 측면에서 사용되기를 희망하는 다목적 새로운 요소를 개발한 시스템을 구성한다”고 말했다.
*A. Grimm et al, Stabilization and operation of a Kerr-cat qubit, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2587-z
*연구 요약
거시적으로 구별되는 고전적 상태, 소위 슈레딩거의 고양이(Schrödinger cat) 상태의 양자 중첩은 양자 계측, 양자 통신 및 양자 계산을 위한 리소스다.
특히 발진기(oscillator)에서 두 개의 반대 위상 결맞음 상태(coherent states)의 중첩은 위상 반전 오류로부터 보호되는 큐비트를 인코딩한다. 그러나 이 개념이 오류에서 안전한 양자 정보(quantum information)를 인코딩하고 조작하는 실용적인 방법이 되려면 몇 가지 문제를 극복해야한다.
이러한 고도로 여기된 상태를 안정화해 보호를 유지해야하며 동시에 시스템은 인코딩 큐비트의 고속 게이트 및 인코딩 된 정보의 양자 비파괴 판독과 호환돼야한다.
예일(Yale) 연구팀은 초전도 마이크로파 공진기에서 Kerr 비선형성(Kerr nonlinearity)과 단일 모드 스퀴징(single-mode squeezing) 간의 상호 작용을 기반으로 슈레딩거 고양이 상태의 생성 및 안정화 방법을 실험적으로 보여준다. 단일 광자 Fock 상태 인코딩과 비교해 크기가 1 자릿수 이상인 안정화되고 오류 보호 큐비트의 이완 시간이 증가하는 것을 보여준다.
연구팀은 가장 짧은 결맞음 시간보다 60배 이상 빠른 타임 스케일에서 모든 단일 큐비트 게이트 작업을 수행하고 안정화 상태에서 보호된 큐비트의 단일 샷 판독을 시연했다. 그 결과 안정된 거시적 상태의 본질적인 오류에 대한 빠른 양자 제어와 견고성의 조합과 양자 정보 처리에서 잠재력을 제시했다.
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August 14, 2020 at 07:00AM
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