양자 컴퓨터 초전도 큐비드 특별한 대칭 실현

구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI) 물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 계산을 저하시킬 수 있는 환경 교란에 더 탄력적인 유형의 입자를 연구했다.

마요라나 에지 모드(Majorana edge mode, MEM)로 알려진 이러한 유효 입자(effective particle)는 물 분자의 집단 운동에서 형성되는 파도와 같이 여러 개별 입자의 집단 여기(excitation) 결과로 형성된다. MEM은 환경의 노이즈로부터 깨지기 쉬운 양자 상태를 보호할 수 있는 특별한 대칭을 나타내기 때문에 양자 컴퓨팅 응용 프로그램에서 특히 중요하다.

응집 물질 물리학자 필립 앤더슨(Philip Anderson)에 따르면 물리적 현상과 근본적인 대칭과의 관계를 연구하는 것은 수세기 동안 물리학의 주요 추진력이었다. 대칭은 시스템이 겪을 수 있는 변환에 대한 간단한 진술이며 변경되지 않은 상태로 유지된다. 문제를 단순화하고 기본 물리 법칙을 설명할 수 있다. 새로운 연구에서 대칭성은 양자 결어긋남(decoherence)을 방지할 수도 있다.

양자 컴퓨터에서 계산을 실행할 때 일반적으로 컴퓨터의 양자 비트 또는 “큐비트(qubits)”가 단일의 순수한 양자 상태에 있기를 바란다. 그러나 결어긋남 현상은 외부 전기장이나 기타 환경 소음이 이러한 상태를 다른 상태와 뒤섞어 바람직하지 않은 상태를 생성함으로써 이러한 상태를 방해할 때 발생한다. 상태에 특정 대칭이 있는 경우 이를 분리하여 특수 대칭이 없는 다른 상태와 혼합할 수 없는 안정성의 섬을 효과적으로 만들 수 있다. 이러한 방식으로 노이즈는 더 이상 대칭 상태를 다른 상태와 연결할 수 없기 때문에 결맞음(coherence) 상태를 유지할 수 있다.

1997년 위상 양자 컴퓨터를 이론적으로 제안한 러시아계 미국인 물리학자 알렉세이 키타에프(Alexei Kitaev)는 대칭 보호 양자 상태를 생성하는 간단한 모델을 2000년에 고안했다. 이 모델은 페르미온(fermions)이라고 하는 상호 연결된 입자 사슬로 구성됐다. 두 개의 효과적인 입자가 사슬의 끝에 나타나는 방식으로 연결될 수 있다. 그러나 이것들은 일반적인 입자가 아니었다. 그것들은 공간에서 비편재화되었고 각각 사슬의 양쪽 끝에서 동시에 나타났다.

이들은 MEM(Majorana Edge Mode)이었다. 두 모드는 소위 패리티 변환(parity transformation)에서 분명히 다른 동작을 했다. 하나의 모드는 이 변환에서 동일하게 보이므로 상태의 대칭이었다. 다른 하나는 마이너스(-) 기호를 선택했다. 이 두 상태 간의 패리티 차이는 많은 외부 노이즈 소스(즉, 패리티 대칭도 있는 소스)에 의해 혼합될 수 없음을 의미한다.

Google의 Xiao Mi, Pedram Roushan, Dima Abanin 및 동료들은 사이언스(Science) 저널에 발표한 새 논문에서 처음으로 초전도 큐비트로 이러한 MEM을 실현했다. 그들은 Kitaev가 고려한 모델을 양자 컴퓨터에서 실현할 수 있는 모델인 1D kicked-Ising 모델로 매핑하기 위해 Jordan-Wigner 변환이라는 수학적 변환을 사용했다. 이 모델은 1D 체인의 각 큐비트를 가장 가까운 두 큐비트 각각에 연결하여 인접한 큐비트가 서로 상호 작용하도록 한다. 그런 다음 “kick”이 주기적으로 체인을 방해한다.

Mi와 그의 동료들은 에지 큐비트의 동작을 체인 중간에 있는 것과 비교하여 MEM의 서명을 찾았다. 중간에 있는 큐비트의 상태는 빠르게 분리되는 반면 가장자리에 있는 큐비트의 상태는 훨씬 더 오래 지속됐다. Mi는 이것이 “외부 결맞음에 대한 MEM의 탄력성에 대한 예비적 표시”라고 말했다.

그런 다음 팀은 MEM의 노이즈 복원력에 대한 일련의 체계적인 연구를 수행했다. 첫 번째 단계로 그들은 시스템의 다양한 양자 상태에 해당하는 에너지를 측정하고 Kitaev 모델의 교과서 예와 정확히 일치한다는 것을 관찰했다. 특히, 그들은 체인의 반대쪽 끝에 있는 두 개의 MEM이 시스템 크기가 커짐에 따라 혼합하기가 기하급수적으로 더 어렵다는 것을 발견했다. 이는 Kitaev 모델의 특징이다.

다음으로 팀은 양자 회로의 제어 작업에 저주파 노이즈를 추가하여 시스템을 교란했다. 그들은 MEM이 대칭이 없는 다른 일반적인 에지 모드와 뚜렷하게 대조되는 그러한 섭동에 면역이 있음을 발견했다. 놀랍게도 팀은 MEM이 Ising 모델의 대칭성을 깨뜨리는 일부 노이즈에도 탄력적이라는 사실을 발견했다. 이는 MEM을 시스템에서 가능한 다른 여기로 변경하는 데 필요한 큰 에너지 비용으로 인해 발생하는 “예열화(prethermalization)” 메커니즘 때문이다.

마지막으로 팀은 MEM의 전체 파동함수를 측정했다. 그렇게 하려면 체인의 양쪽 끝에 있는 다양한 수의 큐비트 상태를 동시에 측정해야 했다. 여기에서 그들은 또 다른 놀라운 발견을 했다. 측정에 포함된 큐비트 수에 관계없이 붕괴 시간은 동일했다. 즉, 최대 12큐비트를 포함하는 측정값도 단 1큐비트의 측정값과 동일한 시간 척도에서 감소했다. 이것은 노이즈가 있는 경우 더 큰 양자 관측 가능 항목이 더 빨리 붕괴된다는 직관적인 기대와 상반되며 MEM의 집단적 특성과 노이즈 복원력을 더욱 강조했다.

Mi와 Roushan은 미래에 대칭 보호 양자 게이트를 활성화하기 위해 MEM을 사용할 수 있을 것이라고 믿는다. 이 작업은 MEM이 저주파 잡음과 작은 오류 모두에 둔감하다는 것을 보여준다. 양자 프로세서에서 보다 강력한 게이트를 만드는 유망한 경로를 제시할 수 있다.

연구원들은 이러한 MEM 경험의 보호 수준을 지속적으로 개선하여 양자 컴퓨터의 결어긋남 문제 해결을 위한 주요 기술과 경쟁할 수 있기를 바랍니다. Abanin은 “향후 작업에 대한 핵심 질문은 이러한 기술을 확장하여 활성 오류 수정 코드에 필적하는 보호 수준을 달성할 수 있는지 여부”라고 말했다.