“거대한 슈퍼원자”가 마침내 양자컴퓨팅의 가장 큰 문제를 해결할 수 있다

양자 컴퓨터는 기존 기계의 범위를 훨씬 넘어서는 문제를 해결함으로써 신약 발견 및 암호화와 같은 분야를 변화시킬 것으로 예상됩니다. 그러나 결맞음(decoherence)이라는 주요 문제로 인해 진행이 제한되었습니다. 이는 양자 비트 또는 큐비트가 주변 환경과의 상호 작용으로 인해 정보를 잃을 때 발생합니다. 소량의 전자기 잡음이라도 계산에 필요한 깨지기 쉬운 양자 상태를 방해할 수 있습니다.

“양자 시스템은 매우 강력하지만 매우 취약합니다. 이를 유용하게 만드는 핵심은 주변 환경과의 상호 작용을 제어하는 ​​방법을 배우는 것입니다.”라고 Chalmers의 응용 양자 기술 분야 박사후 연구원인 Lei Du는 말합니다.

Lei Du는 이 새로운 유형의 양자 시스템을 개괄적으로 설명하는 연구의 주요 저자입니다. 디자인은 몇 가지 중요한 기능을 결합한 거대한 슈퍼원자를 중심으로 구축되었습니다. 이러한 시스템은 결맞음 현상을 줄이고 안정성을 유지하며 단일 단위로 함께 기능하는 여러 개의 상호 연결된 “원자”로 구성됩니다.

거대 슈퍼원자란 무엇인가

거대 슈퍼원자는 양자물리학에서 이전에 분리되었던 두 가지 개념, 즉 거대 원자와 슈퍼원자를 결합한 것입니다. 각각은 자체적으로 연구되었지만 단일 시스템으로 병합된 것은 이번이 처음입니다. 이러한 구조는 원자처럼 행동하지만 자연에서는 발견되지 않습니다. 대신 과학자들이 설계했습니다(아래 사실 상자 참조).

거대 원자와 그들의 “양자 에코”

거대 원자에 대한 아이디어는 10여 년 전 찰머스 연구진에 의해 처음 소개되었으며 현재 해당 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 거대 원자는 일반적으로 큐비트(양자 정보의 가장 작은 단위)로 설계됩니다. 일반 원자와는 달리 물리적으로 분리된 여러 지점에서 빛이나 음파에 연결됩니다. 이를 통해 동시에 여러 장소에서 환경과 상호 작용할 수 있어 양자 정보를 보존하는 데 도움이 됩니다.

“하나의 연결 지점을 떠나는 파동은 환경을 통해 이동하고 다른 지점의 원자에 다시 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 말하기를 마치기 전에 자신의 목소리의 메아리를 듣는 것과 비슷합니다. 이러한 자기 상호 작용은 매우 유익한 양자 효과로 이어지고, 결맞음 현상을 감소시키며, 시스템에 과거 상호 작용에 대한 기억의 형태를 제공합니다”라고 Chalmers의 응용 양자 물리학 부교수이자 이번 연구의 공동 저자인 Anton Frisk Kockum은 설명합니다.

거리에 따라 얽힘 확장

거대 원자는 양자 거동에 대한 이해를 향상시켰지만 얽힘에 있어서는 한계가 있었습니다. 얽힘을 통해 여러 큐비트가 단일 양자 상태를 공유하고 하나의 조정 시스템으로 작동할 수 있으며, 이는 강력한 양자 컴퓨터에 필수적입니다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 거대 원자와 슈퍼원자 개념을 결합했다. 슈퍼원자는 동일한 양자 상태를 공유하고 집합적으로 하나의 더 큰 원자처럼 행동하는 여러 개의 자연 원자로 구성됩니다.

이러한 조합을 통해 양자 통신, 네트워크 및 고감도 측정 시스템에 필요한 복잡한 양자 상태를 보다 쉽게 ​​생성할 수 있을 것으로 기대됩니다.

“거대 슈퍼원자는 빛과 물질 사이의 비국소적인 상호 작용을 나타내는 여러 개의 거대한 원자가 단일 개체로 함께 작동하는 것으로 상상할 수 있습니다. 이를 통해 점점 더 복잡해지는 주변 회로가 필요 없이 여러 큐비트의 양자 정보를 하나의 장치 내에 저장하고 제어할 수 있습니다.”라고 Lei Du는 설명합니다.

이번 연구의 공동 저자이자 Chalmers 대학 응용양자물리학 교수인 Janine Splettstoesser는 “거대한 초원자는 완전히 새로운 능력의 문을 열어주어 강력하고 새로운 도구 상자를 제공합니다. 이를 통해 이전에는 극도로 어려웠거나 심지어 불가능했던 방식으로 양자 정보를 제어하고 얽힘을 생성할 수 있게 되었습니다”라고 말했습니다.

확장 가능하고 실용적인 양자 시스템을 향하여

이 작업은 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 양자 시스템을 구축하기 위한 새로운 가능성을 창출합니다. 연구자들은 이론에서 벗어나 실제로 이러한 시스템을 구축하는 방향으로 나아갈 계획입니다. 이들 설계는 다른 양자 기술과 통합되어 다양한 유형의 양자 플랫폼을 연결하기 위한 구성 요소 역할을 할 수도 있습니다.

Anton Frisk Kockum은 “각각 고유한 장점이 있기 때문에 서로 다른 양자 시스템이 함께 작동하는 하이브리드 접근 방식에 현재 큰 관심이 있습니다”라고 말했습니다. “우리의 연구에 따르면 스마트 설계는 점점 복잡해지는 하드웨어의 필요성을 줄일 수 있으며 거대 슈퍼원자는 실질적으로 적용 가능한 양자 기술에 한 걸음 더 다가갈 수 있다는 것을 보여줍니다.”

양자 정보 흐름 제어

추가 정보: 양자 정보를 보호, 제어 및 배포하는 방법

이번 연구는 거대 슈퍼원자가 빛과 상호작용하는 방식이 내부 양자 상태에 달려 있음을 보여줍니다. 이 발견을 통해 연구자들은 양자 정보가 시스템을 통해 이동하는 방식을 더 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그들은 유용한 결과를 얻기 위해 이러한 구조를 연결하는 두 가지 다른 방법을 설명합니다.

한 설정에서는 여러 개의 거대 슈퍼원자가 특정 배열로 밀접하게 연결되어 있습니다. 이를 통해 서로 결어어긋남 없이 양자 상태를 전달할 수 있으며, 이는 정보가 손실되지 않음을 의미합니다.

또 다른 설정에서는 원자가 더 멀리 떨어져 있지만 파동이 동기화된 상태를 유지하도록 세심하게 조정된 방식으로 연결됩니다. 이를 통해 양자 신호의 방향을 지정하고 장거리에 걸쳐 얽힘을 분산시킬 수 있습니다.

거대 원자와 초원자 이해

슈퍼원자와 거대 원자는 자연적으로 발생하는 시스템이 아닌 원자처럼 행동하도록 설계된 시스템입니다.

슈퍼원자는 단일 양자 상태를 공유하고 하나의 실체로서 빛에 반응하는 여러 개의 자연 원자로 구성된 양자 시스템입니다.

반면에 거대 원자는 공간의 여러 개별 지점에서 빛이나 음파에 연결됩니다. 그것은 상호 작용하는 빛의 파장보다 크기 때문에 “거성”이라고 불립니다.

거대 원자는 에너지 수준을 정의하고 양자 역학의 규칙을 따르지만 최대 밀리미터의 크기에 도달하여 육안으로 볼 수 있습니다. 전자기파나 음향파를 통해 동시에 여러 위치에서 주변 환경과 상호 작용할 수 있습니다. 이것을 묘사하는 한 가지 방법은 여러 먼 지점에서 파동에 연결된 단일 원자로 간주됩니다. 이러한 특이한 설정으로 인해 원자는 생성되는 파동의 영향을 받을 수 있습니다.