새로운 양자 컴퓨팅 하드웨어 접근 방식은 현재 양자 컴퓨터에서 발견되는 복잡한 복잡성의 대부분을 피할 수 있는 방법을 제공한다.
미국 로스 엘러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory, LANL) 이론 물리학자 Nikolai Sinitsyn은 “우리의 발견은 양자 하드웨어에서 많은 까다로운 전제 조건의 필요성을 부정한다. 다이아몬드의 결함은 계산 프로세스에 필요한 종류의 상호 작용을 정확히 보여준다”고 말했다.
연구에 따르면 이 전략은 자연스러운 양자 상호 작용을 활용하는 알고리즘을 사용하여 기존 컴퓨터 또는 기존의 게이트 기반 양자 컴퓨터보다 더 빠르게 다양한 실제 문제를 효율적으로 해결한다.
논문은 Physical Review A 저널에 발표됐다.
Sinitsyn은 초저온 원자를 사용하여 접근 방식을 검증하기 위해 LANL 실험 물리학자와 협력했다. 최신 초저온 원자 기술의 고급 기능을 사용하면 약 40~60큐비트로 이러한 계산을 시연할 수 있다. 이는 현재 고전적인 이진 계산의 범위를 넘어선 수많은 문제를 해결하기에 충분한 크기다. 큐비트는 고전적인 컴퓨팅 비트와 유사한 양자 정보의 기본 단위 역할을 한다.
확장된 큐비트 수명
공유된 양자 얽힘(quantum entanglement)이 필요한 여러 큐비트 사이에 복잡한 논리 게이트 시스템을 구성하는 대신 새로운 전략은 자연 시스템 내에서 전자 스핀과 같은 큐비트 스핀 상태를 위해 간단한 자기장을 사용한다. 스핀 상태의 정확한 진화는 알고리즘을 구현하기 위한 유일한 요구 사항이다. Sinitsyn은 이 접근 방식이 양자 컴퓨터에 대해 제안된 수많은 실제 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 제안했다.
양자 컴퓨팅은 계산에 필수적인 양자 얽힘을 유지하면서 논리 게이트의 긴 시퀀스 내에서 큐비트 간의 연결을 설정하는 데 어려움이 있다. 디코히어런스(decoherence) 또는 결어긋남으로 알려진 얽힘 저하 현상은 얽힌 큐비트가 외부 환경과 상호 작용하여 오류가 발생하면서 발생한다. 이 오류는 빠르게 발생하여 계산 시간을 제한한다. 강력한 오류 수정은 양자 하드웨어에서 아직 달성되지 않았다.
새로운 접근 방식은 유도된 얽힘이 아닌 자연적인 얽힘에 의존, 큐비트 연결이 적고 결어긋남에 대한 민감성이 감소한다. 결과적으로 큐비트는 오랜 기간 동안 결맞음(coherence)을 유지하여 내구성을 향상한다고 Sinitsyn은 설명했다.
Los Alamos 팀의 이론 논문은 이 접근 방식이 그로버의 알고리즘(Grover’s algorithm)을 사용하여 숫자 분할 문제를 해결하는 데 있어 기존 양자 컴퓨터를 능가할 수 있는 방법을 보여준다. Grover의 알고리즘은 상당한 클래식 컴퓨팅 리소스를 소비하는 대규모 데이터 세트의 구조화되지 않은 검색을 용이하게 한다.
Sinitsyn에 따르면 Grover의 알고리즘은 작업 실행 시간을 두 컴퓨터 간에 균등하게 나누어 완료를 다른 실제 작업과 함께 동기화한다. 이 알고리즘은 이상적이고 오류가 수정된 양자 컴퓨터에 적합하다는 것이 입증되었지만 현재 오류가 발생하기 쉬운 기계에서 구현하는 데 어려움이 있다.
오류 방지 메커니즘
양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산을 수행하도록 설계되었지만 실현에는 상당한 어려움이 있다고 Sinitsyn은 지적했다. 기존의 양자 컴퓨터는 다양한 큐비트 쌍을 포함하는 기본 작업 시퀀스인 양자 회로에 의존한다.
Los Alamos 이론가들은 매력적인 대안을 제안했다.
Sinitsyn은 “우리는 두 큐비트에 해당하는 단일 양자 스핀만이 다른 계산 큐비트와 상호 작용하는 기본 상호 작용을 특징으로 하는 양자 시스템으로 많은 유명한 계산 문제를 적절하게 해결할 수 있음을 관찰했다”며 “중앙 스핀에만 작용하는 고독한 자기 펄스는 양자 Grover 알고리즘의 가장 복잡한 측면을 달성한다”고 설명했다. Grover’s oracle로 알려진 이 양자 작업은 원하는 솔루션을 가리킨다.
그는 “계산 큐비트 사이의 직접적인 상호 작용과 중심 스핀과의 시간 의존적 상호 작용이 프로세스에서 필요하지 않다”고 덧붙였다. 중앙 스핀과 큐비트 사이의 정적 연결이 설정되면 전체 계산에는 스핀을 회전시키기 위해 간단한 시간 종속 외부 필드 펄스를 적용하는 작업이 포함된다.
의미심장하게도 팀은 이러한 작업을 실행할 수 있는 속도를 시연했다. 그들은 또한 그들의 접근 방식이 토폴로지 복원력을 가지고 있음을 발견했다. 즉, 양자 오류 수정을 적용하지 않아도 제어 필드 정밀도 및 기타 물리적 매개변수의 수많은 오류에 대해 견고하다.