Science

포착된 빛에 대한 전례 없는 제어에 도달하는 양자 기술

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오른쪽의 알루미늄 공진기 그림. 파란색과 빨간색 패턴은 Chalmers 연구원이 만들고 제어할 수 있는 양자 역학 상태를 보여줍니다. 오른쪽 위에서 아래로 계산하면 상태는 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP), 입방 단계 상태, 이항 상태, Fock 상태 및 Cat 상태입니다. 크레딧: Yen Strandqvist, Chalmers 공과대학교

Chalmers University of Technology의 양자 기술 연구원들이 3차원 공동에서 빛의 양자 상태를 제어하는 ​​기술을 개발하는 데 성공했습니다. 이전에 알려진 상태를 생성하는 것 외에도 연구원들은 오랫동안 추구해 온 입방체 상 상태를 최초로 입증했습니다. 이 돌파구는 양자 컴퓨터에서 효율적인 오류 수정을 향한 중요한 단계입니다.

“우리는 우리의 기술이 세계 최고와 동등하다는 것을 보여주었습니다.”라고 Chalmers의 실험적 양자 물리학 연구 그룹의 책임자이자 이 연구의 선임 저자 중 한 명인 Simone Gasparinetti가 말했습니다.

기존 컴퓨터가 0 또는 1 값을 가질 수 있는 비트를 기반으로 하는 것처럼 양자 컴퓨터를 구축하는 가장 일반적인 방법은 유사한 접근 방식을 사용합니다. 양자 비트(큐비트)로 알려진 두 가지 다른 양자 상태를 가진 양자 기계 시스템은 빌딩 블록으로 사용됩니다. 양자 상태 중 하나에는 값 0이 할당되고 다른 하나에는 값 1이 할당됩니다. 그러나 중첩의 양자 역학적 상태로 인해 큐비트는 상태 0과 1을 동시에 가정할 수 있으므로 양자 컴퓨터가 오늘날의 슈퍼컴퓨터의 범위를 훨씬 넘어서는 문제를 해결할 수 있는 가능성.

큐빅 위상 상태 사상 처음

실질적으로 유용한 양자 컴퓨터의 실현을 가로막는 주요 장애물은 정보를 인코딩하는 데 사용되는 양자 시스템이 오류를 일으키는 노이즈와 간섭이 발생하기 쉽다는 것입니다. 이러한 오류를 수정하는 것은 양자 컴퓨터 개발의 핵심 과제입니다. 유망한 접근 방식은 큐비트를 공진기로 대체하는 것입니다. 공진기는 두 개의 정의된 상태 대신 매우 많은 수를 갖는 양자 시스템입니다. 이러한 상태는 다양한 방식으로 진동할 수 있는 기타 줄과 비교할 수 있습니다. 이 방법을 연속 가변 양자 컴퓨팅이라고 하며 공진기의 여러 양자 역학 상태에서 값 1과 0을 인코딩할 수 있습니다.

그러나 공진기의 상태를 제어하는 ​​것은 전 세계 양자 연구자들이 씨름하고 있는 과제입니다. 그리고 Chalmers의 결과는 그렇게 하는 방법을 제공합니다. Chalmers에서 개발된 기술을 통해 연구자는 이전에 이론으로만 설명된 상태인 Schrödinger’s cat 또는 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 상태 및 입방 위상 상태와 같이 이전에 입증된 빛의 양자 상태를 거의 모두 생성할 수 있습니다.

“입방 상 상태는 많은 양자 연구원들이 실제로 20년 동안 만들려고 시도한 것입니다. 이제 우리가 처음으로 이것을 할 수 있었다는 사실은 우리 기술이 얼마나 잘 작동하는지를 보여주는 것이지만 가장 중요한 것은 이 연구의 주 저자이자 마이크로기술 및 나노과학부의 박사과정 학생인 마리나 쿠드라(Marina Kudra)는 “복잡한 상태가 매우 많은 상태가 다양하며 우리는 그 상태를 생성할 수 있는 기술을 발견했다”고 말했다.

게이트 속도 향상

공진기는 알루미늄으로 만들어진 3차원 초전도 공동입니다. 공진기 내부에 갇힌 광자의 복잡한 중첩은 2차 초전도 회로와의 상호 작용에 의해 생성됩니다.

광자의 양자 역학적 특성은 게이트라고 하는 일련의 전자기 펄스를 적용하여 제어됩니다. 연구원들은 먼저 간단한 변위 게이트와 복잡한 SNAP 게이트의 특정 시퀀스를 최적화하여 광자의 상태를 생성하는 알고리즘을 사용하는 데 성공했습니다. 복잡한 게이트가 너무 긴 것으로 판명되었을 때 연구원들은 전자기 펄스를 최적화하기 위해 최적의 제어 방법을 사용하여 게이트를 더 짧게 만드는 방법을 찾았습니다.

Simone Gasparinetti는 “SNAP 게이트의 속도가 크게 향상되어 양자 컨트롤러의 결맞음 효과를 완화하여 이 기술을 한 단계 발전시킬 수 있었습니다. 우리는 양자 역학 시스템을 완전히 제어할 수 있음을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

또는 좀 더 시적으로 표현하자면 다음과 같습니다.

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마리나 쿠드라는 “나는 빛이 번성하는 곳에서 빛을 포착하여 정말 아름다운 형태로 만들었습니다”라고 말합니다.

이 결과를 얻는 것은 또한 물리적 시스템(알루미늄 공진기 자체 및 초전도 회로)의 고품질에 달려 있었습니다. Marina Kudra는 이전에 알루미늄 캐비티를 먼저 밀링한 다음 다음과 같은 방법으로 매우 깨끗하게 만드는 방법을 보여주었습니다. 섭씨 500도까지 가열하고 산과 용매로 세척합니다. 캐비티에 전자기 게이트를 적용하는 전자 장치는 스웨덴 회사인 Intermodulation Products와 공동으로 개발했습니다.

WACQT 연구 프로그램의 연구 부분

이 연구는 포괄적인 연구 프로그램인 WACQT(Wallenberg Center for Quantum Technology) 프레임워크 내에서 Chalmers에서 수행되었으며, 그 목표는 양자 기술에서 스웨덴 연구 및 산업 리더를 만드는 것입니다. 이니셔티브는 Per Delsing 교수가 주도하며 주요 목표는 양자 컴퓨터를 개발하는 것입니다.

“Chalmers에서는 이론에서 실험에 이르기까지 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 전체 스택을 한 지붕 아래에서 모두 보유하고 있습니다. 오류 수정 문제를 해결하는 것은 대규모 양자 컴퓨터 개발의 주요 병목 현상이며 우리의 결과는 우리의 문화와 일하는 방식”이라고 Per Delsing은 말합니다.


양자 컴퓨터는 0과 1 이상에서 작동합니다.


추가 정보:
Marina Kudra et al, 최적화된 SNAP 변위 시퀀스를 사용한 Wigner-음성 상태의 강력한 준비, PRX 퀀텀 (2022). DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030301

찰머스 공과대학교 제공

소환: 양자 기술은 캡처된 빛에 대한 전례 없는 제어에 도달합니다(2022년, 9월 27일), https://phys.org/news/2022-09-quantum-technology-unprecedented-captured.html에서 2022년 9월 28일 검색

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