기록적인 53큐비트 양자 시뮬레이터 공개

• 물리학자들은 53개의 상호작용하는 양자 자석을 만들어 1000조 개의 자석 구성을 가능하게 했습니다.
• 복잡한 양자 물질을 모방하기 위해 원자 큐비트를 사용하는 제한형 양자 컴퓨터입니다.
• 그들은 약 99%의 효율성으로 각 큐비트를 측정했습니다.

메릴랜드 대학교와 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 물리학자들은 자기 양자 물질을 모방하기 위해 53개의 상호 작용하는 원자 큐비트를 사용하여 새로운 기록을 세웠습니다. 개별 큐비트에 대한 고효율 단일 샷 측정으로 수행된 역대 최대 규모의 양자 시뮬레이션입니다.

그들은 면도날처럼 날카로운 금 코팅 전극에 갇힌 변화된 원자인 최대 53개의 이테르븀 이온을 사용했습니다. MIT와 하버드 과학자들이 개발한 보완 시스템은 레이저 빔에 의해 제한된 51개의 루비듐 원자를 사용합니다. 이 실험 플랫폼은 가장 빠른 현대 슈퍼컴퓨터의 한계를 훨씬 뛰어 넘는 어려운 양자 문제(예:Ising 샘플링)를 해결하기 위해 확장될 수 있습니다.

더 적은 수의 트랩된 이온 큐비트를 사용한 시뮬레이션이 이미 시연되었으며 이제 스핀 간의 상호 작용에 대한 더 높은 수준의 제어를 통해 이 시스템을 범용 양자 컴퓨터로 업그레이드할 수 있습니다.

모든 이온 큐비트는 쉽게 복제할 수 있는 안정적인 원자 시계입니다. 외부 레이저 빔을 사용하여 효율적으로 서로 연결하므로 내부 설정을 방해하지 않고 동일한 장치를 재구성할 수 있습니다. 이는 미래에 등장할 모든 종류의 양자 컴퓨팅 앱을 적용하기 위해 수행됩니다. 실제로 그들이 개발한 것은 무엇인지, 어떤 이점이 있는지 알아보겠습니다.

퀀텀 시뮬레이터란 정확히 무엇인가요?

양자 시스템은 실험실에서 연구하기 어렵고 슈퍼컴퓨터를 사용하여 모델링하는 것이 거의 불가능합니다. 그래서 우리는 양자 시뮬레이터를 사용하여 양자 컴퓨팅의 패턴과 기능을 연구합니다. 특정 물리학 문제에 대한 세부 정보를 제공하기 위해 특별히 개발되었습니다.

여러 입자로 양자 시스템을 시뮬레이션하는 기술은 기존 컴퓨터에서 기하급수적인 시간이 필요합니다. 하지만 원래 시스템의 입자 수와 유사한 다중 양자 비트를 사용하여 양자 컴퓨터를 통해 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 양자 시스템의 광범위한 범주로 확장되었습니다.

지금까지 양자 시뮬레이터는 이온 포획, 초전도 회로, 초저온 양자 가스, 광자 시스템 등 다양한 플랫폼에서 구현되었습니다.

양자 문제에 양자 하드웨어 사용

현대 슈퍼컴퓨터는 20개가 넘는 상호 작용하는 양자 개체를 처리할 수 없습니다. 상호 작용이 양자 규모의 자기 정렬로 이어질 수 있는 양자 자기의 경우가 바로 이것이다.

양자 문제는 일반적으로 각 자석이 시스템의 다른 모든 자석과 상호 작용하기 때문에 어렵습니다. 물리학자들이 개발한 시뮬레이터에는 53개의 상호작용하는 양자 자석이 있어 천조 개의 자석 구성이 가능합니다. 이 숫자는 자석을 하나씩 추가할 때마다 두 배가 됩니다.

복잡한 양자 물질을 모방하기 위해 큐비트를 사용하는 제한된 유형의 양자 컴퓨터입니다. 큐비트는 격리될 수 있으며 동시에 두 개 이상의 상태에 있을 수 있습니다. 그것들은 다양한 형태로 제공되며 큐비트를 구축하기 위해 가장 선호되는 선택은 모든 문제의 다용도 빌딩 블록인 원자입니다. 지난 몇 년 동안 물리학자들은 소규모 양자 시뮬레이션에서 최대 20큐비트를 제어하는 데 큰 성공을 거두었습니다.

Atom을 사용하는 이유

장치의 양자 특성을 보호하려면 큐비트가 환경으로부터 격리된 상태를 유지해야 합니다. 각 큐비트를 추가하면 보호가 더 어려워집니다. 특히 제작된 회로에서와 같이 처음부터 동일하지 않은 경우 더욱 그렇습니다. 이것이 원자가 큐비트에 선호되는 주된 이유 중 하나입니다. 원자를 사용하면 제작된 회로에 비해 양자 기계를 쉽게 확장할 수 있습니다.

오늘날의 컴퓨터와 달리 원자 큐비트는 실온의 진공 챔버 내부에 저장되어 압력이 우주 공간과 매우 유사하게 유지됩니다. 큐비트를 분리하면 물리학자들이 특수 레이저, 거울, 광섬유, 렌즈 및 전기 회로를 사용하여 원자 큐비트를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
현재 대부분의 거대 기술 기업, 대학, 심지어 스타트업에서도 다수의 큐비트를 제어할 수 있는 양자 머신 프로토타입 개발에 주력하고 있습니다.

53큐비트 시뮬레이터

모든 원자 큐비트는 동일한 전하를 가지므로 서로 밀어냅니다. 서로를 더 멀리 밀어내면 맞춤형 전기장이 다시 결합하게 됩니다. 이 두 힘이 서로 균형을 이루면서 이온이 한 줄에 머물게 됩니다. 과학자들은 고유한 반발력을 활용하여 상호 작용하는 양자 물질을 시뮬레이션하는 데 필수적인 이온 간 상호 작용을 생성합니다.

레이저 펄스는 모든 큐비트를 제어하고 동일한 상태로 명령하여 양자 시뮬레이션을 시작합니다. 그런 다음 또 다른 레이저 빔 세트가 원자 큐비트와 상호 작용하여 작은 자석처럼 작동하게 만듭니다. 이제 큐비트는 임의의 방향을 가리키므로 자화가 발생하지 않거나 극을 이웃과 정렬하여 강자성을 생성할 수 있습니다. 과학자들은 빔의 강도를 변경하고 다양한 레이저 조건에서 어느 단계가 유리한지 분석할 수 있습니다.

참조:  메릴랜드 대학교 | 자연 | DOI:10.1038/nature24654

전체 시뮬레이션이 수행되는 데는 몇 밀리초밖에 걸리지 않습니다. 이 과정을 여러 번 반복하고 여러 지점에서 최종 상태를 분석함으로써 과학자들은 처음부터 끝까지 전개되는 과정을 관찰할 수 있습니다. 큐비트 자석이 여러 단계에 따라 어떻게 구성되는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

원자 큐비트를 조작하는 레이저 그림을 그리는 예술가들 | 출처:E. Edwards/JQI

연구팀은 제어 가능한 범위와 강도를 갖춘 장거리 상호 작용을 적용하고 약 99%의 효율성으로 각 큐비트를 계산했습니다. 즉, 큐비트 간의 많은 신체 상관 관계를 한 번에 계산할 수 있어 동적 위상 전환을 직접 조사하고 큐비트 간의 높은 연결성과 장거리 상호 작용에 의존하는 다루기 힘든 기능을 밝힐 수 있습니다.

시뮬레이터는 자성 물질을 탐색하는 데 적합하지만 다양한 유형의 계산을 효과적으로 수행하려면 프로그래밍 가능한 상호 작용을 갖춘 보다 일반적인 양자 기계가 필요합니다.

다음은 무엇인가요?

이러한 유형의 양자 시뮬레이터는 과학자들이 양자 회로를 구현하고 궁극적으로 여러 이온 사슬을 양자 연결하여 광범위한 응용 분야를 갖춘 완전한 양자 컴퓨터를 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

읽기:양자 컴퓨터에 관한 10가지 이상의 가장 흥미로운 사실

연구팀은 곧 최대 100개 이상의 이온 큐비트를 제어할 수 있을 것이라고 주장합니다. 그 시점에서 그들은 잠재적으로 재료 설계와 양자 화학에서 훨씬 더 어려운 문제를 탐구할 수 있습니다. 반면 D-Wave는 칩 하나에서 2,000큐비트를 생산한다고 주장합니다.

반면 인텔, 구글, IBM은 초전도 전자 회로를 사용해 자체 양자 컴퓨터를 구축하고 있습니다.