미래 양자 컴퓨터에서 양자 시스템을 시뮬레이션할 수 있는지에 대한 두 가지 오래된 질문이 해결, 복잡성 분석의 문제를 극복하고 고급 알고리즘을 사용할 수 있게 됐다.
미국 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 양자 연구팀은 양자 시스템의 물리적 특성이 더 빠른 시뮬레이션 기술을 가능하게 함을 보여준다.
로스 알라모스의 양자 이론가이자 두 논문의 공동 저자인 Rolando Somma는 “양자 컴퓨터에서 양자 시뮬레이션을 처음으로 전면적으로 시연하려면 이 작업에 기반한 알고리즘이 필요할 것”이라고 말했다.
“저에너지 부분 공간에서의 해밀턴 시뮬레이션(Hamiltonian simulation in the low-energy subspace)”이라는 논문은 양자 시뮬레이션 알고리즘의 복잡성이 이전에 생각했던 것처럼 시스템의 전체 에너지 범위가 아니라 관련 에너지 규모에 의존한다는 것을 보여준다. 사실, 일부 양자 시스템은 무한한 에너지 상태를 가질 수 있으므로 시뮬레이션은 대형 양자 컴퓨터에서도 다루기 힘든 것으로 판명됐다.
이 새로운 연구에서는 양자 시스템이 저에너지 상태만 탐색할 경우 시뮬레이션 충돌 오류 없이 양자 컴퓨터에서 낮은 복잡성으로 시뮬레이션할 수 있음을 발견했다.
“우리의 연구는 양자 시뮬레이션을 현실에 더 가깝게 밀어붙이는 데 필요한 저에너지에서의 양자 시뮬레이션에 대한 체계적인 연구에 대한 경로를 제공합니다.” npj Quantum Information 저널에 실린 이 논문의 주저자인 Los Alamos 이론 물리학자 Burak Şahinoğlu가 설명했다.
Somma는 “알고리즘의 모든 단계에서 매우 큰 에너지로 탈출할 수 없음을 보여준다.각 단계 후에 여전히 저에너지 부분 공간 내에 있도록 양자 알고리즘을 작성하는 방법이 있다”고 말했다.
연구는 많은 종류의 양자 시스템에 적용되며 저에너지 상태 내에서 물리적 현상을 설명하는 양자장 이론을 시뮬레이션하는 데 유용할 것이라고 밝혔다.
시간-에너지 불확실성 원리를 우회하는 양자 시스템
다른 논문인 “Fast-forwarding quantum evolution”은 Caltech의 Shouzhen Gu와의 공동 작업으로 Quantum 저널에 게재됐다. 그것은 양자 시뮬레이션 알고리즘이 시간-에너지 불확정성 원리에 의해 제안된 한계보다 더 빠르게(어떤 경우에는 기하급수적으로 더 빠르게) 실행할 수 있는 세 가지 양자 시스템을 보여준다.
저자들은 “양자 역학에서 일반적으로 시스템의 에너지 규모를 측정할 때 얻을 수 있는 최고의 정밀도는 측정 기간의 역수”라며 “그러나 이 원리는 모든 양자 시스템, 특히 특정 물리적 특징이 있는 양자 시스템에 적용되지 않는다”라고 밝혔다.
또한 이 원리를 우회할 때 그러한 양자 시스템이 양자 컴퓨터에서 매우 효율적으로 시뮬레이션되거나 빠르게 전달될 수 있음을 보여주었다.
