과학자들은 양자 컴퓨터가 대부분의 작업을 잊어버린다는 사실을 발견했습니다.

양자 회로도 비슷한 방식으로 작동합니다. 이는 고도로 조정된 방식으로 정보를 처리하기 위해 함께 작동하는 (“작업”)이라고 하는 여러 개의 작은 단계로 구성됩니다.

이제 그 도미노가 약간 불안정하다고 상상해보세요. 양자 시스템에서는 이러한 불안정성을 “잡음”이라고 합니다. 처음에는 사소해 보일 수도 있지만, 작은 방해라도 시간이 지나면서 누적되어 전체 시퀀스를 방해할 수 있습니다.

소음이 양자 컴퓨팅 성능을 제한하는 방법

이것은 중요한 질문을 제기합니다. 양자 회로의 모든 단계가 잡음의 영향을 받는 경우 복잡성이 증가하더라도 여전히 이점이 있습니까? 양자 회로는 고전 기계의 범위를 넘어서는 문제를 해결하는 것을 목표로 하는 양자 컴퓨터와 같은 기술에 필수적입니다.

새로운 이론적 연구는 이 문제를 심층적으로 탐구했습니다. 연구진은 잡음이 양자 회로의 깊이에 대해 엄격한 실제 제한을 가한다는 사실을 발견했습니다. 이는 얼마나 많은 단계가 순차적으로 수행될 수 있는지를 의미합니다. 그들은 또한 잡음이 고전적인 컴퓨터를 사용하여 이러한 회로의 일부를 더 쉽게 시뮬레이션할 수 있음을 보여주었습니다.

이 연구는 EPFL의 Armando Angrisani와 Yihui Quek, 베를린 자유 대학의 Antonio Anna Mele, 코펜하겐 대학의 Daniel Stilck França가 주도했습니다. 결과는 다음과 같이 출판되었습니다. 자연물리학.

마지막 단계만 중요한 이유

잡음의 영향을 이해하기 위해 팀은 간단한 2큐비트 작업으로 구축된 대규모 양자 회로 그룹을 조사했습니다. 그들의 모델에는 각 큐비트가 모든 단계 후에 소음을 경험하는 현실적인 조건이 포함되었습니다.

수학적 분석을 사용하여 각 레이어의 영향이 회로를 통해 어떻게 이동하는지 추적했습니다. 결과는 대부분의 시끄러운 양자 회로에서 마지막 몇 단계만이 결과에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

회로가 매우 깊게 설계되더라도 이전 작업의 영향은 점차 사라집니다. 도미노 비교에서는 마치 최종 조각만이 최종 결과를 결정하는 것과 같습니다.

이는 실제적인 의미를 갖습니다. 양자 컴퓨터를 사용하여 큐비트의 에너지나 상태와 같은 속성을 계산하는 경우 결과는 주로 최종 레이어에 의해 결정됩니다. 이전 작업은 노이즈가 누적됨에 따라 효과적으로 “메모리에서 사라집니다”.

시끄러운 양자 회로를 여전히 훈련할 수 있는 이유

이번 발견은 또한 시끄러운 양자 회로가 특정 작업에 대해 여전히 조정되거나 “훈련”될 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 회로 설정을 변경하면 결과에 영향을 미칠 수 있지만 주로 최종 레이어가 계속해서 적극적인 역할을 하기 때문입니다.

결과적으로 잡음의 영향을 받는 깊은 회로는 더 얕은 회로처럼 동작합니다. 더 많은 단계를 추가한다고 해서 반드시 성능이 향상되는 것은 아닙니다. 대부분의 이전 단계는 더 이상 의미 있는 방식으로 기여하지 않기 때문입니다.

이것이 미래 양자 기술에 미치는 영향

이 연구는 현재 양자 기계가 현실적으로 무엇을 달성할 수 있는지에 대한 보다 명확한 그림을 제공합니다. 단순히 회로 깊이를 늘리는 것만으로는 많은 일반적인 작업, 특히 로컬 측정을 기반으로 하는 작업에서 더 나은 결과를 얻을 수 없습니다.

미래의 발전은 잡음을 줄이거나 잡음에도 불구하고 효과적으로 작동할 수 있는 회로를 설계하는 데 달려 있을 것입니다. 이 연구는 또한 잠재적인 오해를 강조합니다. 시끄러운 회로는 훈련 가능한 것처럼 보일 수 있지만 이는 부분적으로 잡음이 이미 회로의 유효 복잡성을 감소시켰기 때문입니다. 노이즈를 단순한 흐림으로 처리하면 양자 컴퓨팅의 실제 기능에 대한 비현실적인 기대가 발생할 수 있습니다.

기여자

• 베를린 자유대학교
• EPFL
• 소르본대학교
• 시카고대학교
• 프라운호퍼 하인리히 헤르츠 연구소
• ENS 리옹
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