AI 기반 양자 기술로 자력계 감도를 6배 향상

• 연구원들은 양자 시스템과 기계 학습 기술을 사용하여 자기장을 측정하는 새로운 방법을 개발했습니다.
• 기존 기술로 달성할 수 있는 것보다 6배 더 높은 감도에 도달합니다. 

사물을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지에는 일정한 한계가 있습니다. 예를 들어 엑스레이 이미지를 보면 매우 흐릿하고 이를 적절하게 해석하려면 전문 의사가 필요합니다. 강도를 높이고 노출 시간을 늘리면 여러 조직 간의 대비가 향상될 수 있지만 이렇게 많은 양의 방사선은 인간에게 안전하지 않습니다.

측정 정확도는 주어진 자원의 제곱근에 반비례한다는 표준 양자 한계를 알고 계실 것입니다. 방사선 전력, 시간, 이미지 수 등 리소스를 더 많이 적용할수록 측정이 더 정확해집니다. 따라서 정밀도가 높다는 것은 광범위한 리소스를 사용한다는 것을 의미합니다.

이제 MIPT, 알토 대학교, 란다우 연구소, ETH 취리히 물리학과 소속 물리학자들로 구성된 국제 팀이 양자 시스템과 기계 학습 기술을 사용하여 자기장을 측정하는 더 나은 방법을 고안했습니다.

그들은 표준 양자 한계를 뛰어넘는 정확성을 갖춘 자력계를 시연했습니다. 어떻게 개발했는지 알아보겠습니다.

Qubit을 사용하여 높은 감도로 자기장 측정

연구자들은 초전도 인공 원자인 큐비트의 일관성을 활용하여 자기장 측정의 정확성을 향상시켰습니다. 실리콘 칩에 알루미늄 스트립을 겹쳐서 만든 매우 작은 장치입니다. 동일한 기술이 모바일 및 컴퓨터 프로세서를 제조하는 데 사용됩니다.

실리콘 칩의 알루미늄 스트립으로 구현된 큐비트 | 이미지 출처: Babi Brasileiro/Aalto University

장치가 매우 낮은 온도에 노출되면 저항이 거의 0인 상태로 전류가 흐르고 장치는 실제 원자와 유사한 양자역학 특성을 나타내기 시작합니다. 실제로 고유 자기 모멘트는 실제 원자/이온보다 약 100,000배 더 큽니다.

마이크로파 펄스가 조사되면 큐비트의 상태가 변경됩니다. 이 변화는 적용된 외부 자기장에 따라 달라집니다. 따라서 자기장을 알기 위해서는 원자를 측정하면 됩니다.

큐비트 기반 자기장 검출기에서 두 상태 간의 일관성(양자 상태의 일관성 있는 중첩)은 장치를 관통하는 자기장의 주파수에서 진동합니다. 파동함수 위상변화율이 높을수록 측정 정확도가 높아집니다.

참고 자료:npj 양자 정보 | doi:10.1038/s41534-018-0078-y | ETH 취리히

그러나 이는 표준 양자 한계를 넘어서는 정확도를 제공하지 않습니다. 또 다른 트릭, 즉 머신러닝을 이용한 패턴 인식을 적용해야 합니다.

연구진은 적응형 접근법을 적용했습니다. 그들은 측정을 수행하고 그 결과를 기계 학습 알고리즘에 제공했습니다. 그런 다음 AI가 자기장을 가장 빠르게 추정하기 위해 다음 단계에서 제어 매개변수를 변경하는 방법을 결정하도록 합니다.

이를 통해 기존 기술로 달성할 수 있는 것보다 약 6배 더 높은 감도에 도달할 수 있었습니다.

결론

양자 감지의 맥락에서 양자 하드웨어와 지도형 기계 학습 알고리즘을 활용하는 이러한 조합은 현재 자기장 감지기의 한계를 뛰어넘는 정확도를 제공할 수 있는 단일 또는 수 큐비트 자력계를 약속합니다.

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자기장 감지는 뇌 활동 영상화부터 지질학적 처리에 이르기까지 광범위한 분야에서 중요합니다. 이는 센서 기술에 양자 강화 방법을 사용하기 위한 작은 단계입니다.