양자 컴퓨터 성능을 향상시키는 새로운 방법

• 연구원들이 양자 컴퓨팅 성능을 개선하기 위한 이론적 방법을 설계합니다.
• 이 방법은 Dynamical Decoupling으로 알려져 있으며 2대의 소규모 양자 컴퓨터에서 작동했습니다.
• 인코딩 오버헤드가 필요하지 않으며 양자 게이트를 디커플링 펄스로 변환하여 작동합니다.

양자 컴퓨팅의 개념은 1980년대 초에 도입되었습니다. 이 아이디어는 이진 비트 대신 양자 비트(상태 중첩이 가능한 큐비트)를 사용하여 안전하고 매우 빠른 속도로 계산을 수행하는 것입니다.

30년이 지난 지금, 양자 컴퓨팅 분야는 아직 초기 단계에 있습니다. 소수의 큐비트에서 양자 계산이 실행되는 수백 가지 테스트가 수행되었지만.

양자 컴퓨터는 오늘날의 슈퍼 컴퓨터보다 수백만 배 더 빠를 것으로 예상되며 금융, 국방, 정보 기술 및 의학 산업에 혁명을 일으킬 잠재력이 있습니다. 그들은 원자의 동작을 활용하여 매우 빠른 속도로 엄청나게 복잡한 작업을 수행합니다.

그러나 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 오류가 발생하기 쉽고 작업을 지속하려면 안정성이 필요합니다. 일반적으로 제대로 작동하지 않고 좋지 않은 결과를 낳습니다. 전 세계의 연구원들은 여전히 ​​어떤 작업에서도 기존 컴퓨터를 능가하는 양자 기계를 달성하지 못했습니다.

현재 양자 컴퓨터의 주요 문제는 진동, 온도 및 소리로 인한 교란인 '소음'입니다. 이는 양자 상태의 지속 시간을 방해하여 큐비트를 불안정하게 만들 수 있는 결맞음(decoherence)을 생성합니다. 이렇게 하면 양자 기계가 작업을 정확하게 수행할 수 있는 시간이 줄어듭니다(오류 없이).

디코히어런스가 너무 많은 양자 기계는 아무 소용이 없습니다. 이 문제를 해결할 수 있다면 양자컴퓨팅이 기존 컴퓨터보다 실용적이고 생산성이 높아지는 경지에 이를 수 있다.

최근 서던캘리포니아 대학의 연구원들은 양자 컴퓨팅 성능을 향상시키는 이론적 방법을 공개했습니다. 결과의 충실도를 높이는 동시에 잘못된 계산을 최소화하여 현재 양자 컴퓨터의 약점을 해결합니다. 이 방법은 DD(Dynamic Decoupling)로 알려져 있으며 2대의 양자 컴퓨터에서 작동했습니다.

DD는 시간 종속 섭동 이론에서 시스템과 환경 간의 상호 작용을 주어진 순서로 취소하는 시스템에 적용되는 펄스를 통해 결맞음(decoherence)을 억제하기 위해 개발되었습니다. 전반적으로 인코딩 오버헤드가 필요하지 않으며 양자 게이트를 디커플링 펄스로 변환하여 작동합니다.

참조:물리적 검토 편지 | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

이 테스트의 시간 순서는 매우 짧았습니다. 0.6마이크로초 내에 200개의 펄스가 기록되었습니다.

오늘날의 양자 기계에 동적 분리 적용

연구원들은 2개의 양자 컴퓨터(IBM의 16큐비트 QX5 및 Rigetti의 19큐비트 Acorn)에서 DD를 테스트했으며 다른 방법보다 쉽고 안정적이라는 것을 발견했습니다. 기존의 소규모 클라우드 기반 양자 컴퓨터에 구현하기에 적합합니다.

8큐비트 양자 프로세서 | 이미지 제공:Rigetti Computing

이 방법은 얽힌 두 큐비트 상태를 어느 정도 보호할 수 있습니다. 동적 디커플링의 다른 시퀀스는 디페이징 및 자발적 방출 오류를 모두 완화할 수 있습니다. 이전 연구와 달리 양자 오류 수정 코드를 사용하지 않아 자연 결맞음에 대한 충실도가 비약적으로 향상되었습니다.

IBM QX5의 최종 충실도는 28.9%에서 88.4%로, Rigetti의 Acron은 59.8%에서 77.1%로 향상되었습니다. 연구원들은 또한 Rigetti 양자 컴퓨터에서 더 오랜 기간 동안 지속 가능한 충실도 향상을 항상 가능하게 하는 플러스가 더 많다는 것을 발견했습니다. 반면 IBM 컴퓨터의 경우 약 100펄스의 제한이 있었습니다.

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전반적으로 이 연구는 동적 디커플링 메커니즘이 기존 양자 오류 수정 기술보다 훨씬 더 잘 작동함을 보여줍니다.