구글 퀀텀AI 양자 컴퓨팅 오류 억제 특이 입자 거동 최초 관찰

두 개의 동일한 물체가 앞뒤로 바뀌었는지 확인하는 것이 가능할까? 지금까지 관찰된 모든 입자는 불가능하다고 알려졌다.

이 규칙을 위반할 것으로 예측된 유일한 입자인 비-아벨리안 애니온(Non-Abelian anyons)은 양자 컴퓨팅 확장에 필요한 노이즈 억제에 혁신적 잠재력이 있다. 그러나 이를 관찰하는 것은 어려운 일이었다.

네이처(Nature) 저널에 11일(현지시각) 게시된 논문에서 Google Quantum AI 연구원은 초전도 양자 프로세서 중 하나를 사용하여 비-아벨리안 애니온의 독특한 거동을 처음으로 관찰했다고 발표했다.

그들은 또한 이 현상이 양자 계산을 수행하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었다. 이번 주 초 영국 기반 양자 컴퓨팅 회사 콴티늄(Quantinuum)은 이 주제에 대한 또 다른 연구를 발표하여 Google의 초기 발견을 보완했다. 이 새로운 결과는 토폴로지 양자 계산을 향한 새로운 길을 열어준다. 작업은 땋은 끈처럼 서로의 주위에 Non-Abelian anyons를 휘감아 달성된다.

Google Quantum AI 팀원이자 논문 제1 저자인 Trond I. Andersen은 “비-아벨리안의 기괴한 행동을 처음으로 관찰한 것은 우리가 이제 양자 컴퓨터로 접근할 수 있는 흥미로운 현상의 유형을 더욱 강조한다”고 말했다.

두 개의 동일한 물체를 관찰자 모르게 교체했을 때 직관에 따르면 객체가 교체된 것을 알 수 있는 방법이 없다. 비-아벨리안은 완전히 동일함에도 불구하고 교체된 것에 기억을 유지한다.

비-아벨리안 애니온의 이 “기억”은 시공간에서 연속적인 선, 즉 입자의 소위 “세계선”으로 생각할 수 있다. 두 개의 객체가 교환될 때 그들의 세계선은 서로를 휘감는다. 그것들을 올바른 방법으로 감싸면 그 결과로 생긴 매듭과 끈이 위상 양자 컴퓨터의 기본 작업을 형성한다.

팀은 체커보드로 잘 표현되는 얽힌 양자 상태에서 초전도 큐비트를 준비하는 것으로 시작했다. 이는 최근 이 설정을 사용하여 양자 오류 수정의 이정표를 시연한 Google 팀에게 친숙한 구성이다.

non-Abelian anyons를 실현하기 위해 연구자들은 큐비트의 양자 상태를 늘리고 압축하여 체크 무늬 패턴을 이상한 모양의 다각형으로 변환했다. 이 다각형의 특정 정점은 비-아벨리안을 호스트했다. 미국 코넬 대학 김은아와 전 박사후 연구원인 Yuri Lensky가 개발한 프로토콜을 사용, 팀은 계속해서 격자를 변형하고 비-아벨리안 꼭지점의 위치를 이동하여 비 non-Abelian anyons를 이동할 수 있었습니다.

일련의 실험에서 Google의 연구원은 이러한 non-Abelian anyons의 행동과 그들이 더 평범한 Abelian anyons와 어떻게 상호 작용하는지 관찰했다. 두 가지 유형의 입자를 서로 엮으면 기괴한 현상이 발생했다. 입자가 신비롭게 사라졌다가 다시 나타나 서로를 감고 충돌하면서 한 유형에서 다른 유형으로 형태가 바뀌었다.

가장 중요한 것은 팀이 non-Abelian anyons의 특징을 관찰했다는 것이다. 그 중 두 개가 교환되었을 때 시스템의 양자 상태에 측정 가능한 변화가 발생했다. 이는 이전에 관찰된 적이 없는 놀라운 현상이다.

마지막으로 팀은 non-Abelian anyons의 브레이딩이 양자 계산에 어떻게 사용될 수 있는지 시연했다. 이 들을 함께 엮음으로써 그들은 GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger) 상태라고 하는 잘 알려진 양자 얽힘 상태를 만들 수 있었다.

이번 주 양자 컴퓨팅 회사 Quantinuum은 비-아벨리안 브레이딩(이 경우에는 포획 이온 양자 프로세서를 사용함)을 입증한 보완 연구를 발표했다.