양자 컴퓨터 계산 속도 제한 증명

양자 컴퓨터가 계산을 수행할 수 있는 속도를 결정하는 요인은 무엇인가? 과학자들은 이 질문에 답하기 위한 양자 속도 제한 교차 관찰 실험을 고안했다.

독일 본 대학교(University of Bonn)과 Technion(Israel Institute of Technology) 물리학자들의 연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 저널에 게재됐다.

양자 컴퓨터는 정보를 처리하기 위해 양자 역학의 원리에 의존한다. 이를 통해 기존 컴퓨터에서는 완전히 해결할 수 없는 미래의 특정 문제를 처리할 수 있다. 그러나 양자 컴퓨터도 주어진 시간에 처리할 수 있는 데이터의 양에는 근본적인 한계가 있다.

양자 게이트에는 최소 시간이 필요하다.

기존 컴퓨터에 저장된 정보는 0과 1의 긴 시퀀스인 비트로 생각할 수 있다. 양자 역학에서는 다르다. 정보는 일련의 이산 값이 아니라 파동과 유사한 양자 비트(큐비트)에 저장된다. 물리학자들은 큐비트에 포함된 정보를 정확하게 표현하고자 할 때 파동 함수에 대해서도 이야기한다.

전통적인 컴퓨터에서 정보는 소위 게이트로 연결된다. 여러 게이트를 결합하면 2비트 추가와 같은 기본 계산이 가능하다. 정보는 양자 컴퓨터에서 매우 유사한 방식으로 처리되며, 양자 게이트는 특정 규칙에 따라 파동 함수를 변경한다.

양자 게이트는 다른 측면에서 이와 유사하다. 본 대학교 응용 물리학 연구소의 안드레아 알베르티(Andrea Alberti) 박사는 “양자 세계에서도 게이트는 무한히 빠르게 작동하지 않는다. 파동 함수와 여기에 포함된 정보를 변환하는 데 최소한의 시간이 필요하다”고 설명한다.

70여 년 전 소련의 물리학자 Leonid Mandelstam과 Igor Tamm은 이론적으로 파동 함수를 변환하는 최소 시간을 추론했다. 본 대학과 Technion 물리학자들은 이제 복잡한 양자 시스템에 대한 실험을 통해 처음으로 이 만델스탐-탐 한계를 조사했다. 이를 위해 그들은 고도로 통제된 방식으로 움직이는 세슘 원자를 사용했다. 실험 연구를 주도한 Alberti는 “실험에서 우리는 개별 원자가 가벼운 그릇에 있는 구슬처럼 굴러 떨어지게 하고 그 움직임을 관찰했다”고 말했다.

원자는 물질파동으로 양자역학적으로 기술될 수 있다. 빛 그릇(light bowl) 바닥으로 여행하는 동안 양자 정보가 변경된다. 연구원들은 이제 이 “변형”이 가장 빨리 식별될 수 있는 시점을 알고 싶어했다. 이번에는 만델스탐-탐 극한의 실험적 증명이 될 것이다. 그러나 이것의 문제는 양자 세계에서 원자의 위치를 ​​측정할 때마다 불가피하게 물질 파동이 예측할 수 없는 방식으로 변한다는 것이다. 따라서 아무리 빨리 측정해도 항상 변형된 것처럼 보인다. “따라서 우리는 초기 상태로부터의 편차를 감지하기 위해 다른 방법을 고안했다”고 Alberti는 말한다.

이를 위해 연구원들은 물질파동의 복제물, 즉 거의 정확한 쌍둥이를 생성하는 것으로 시작했다. Technion박사 과정 학생이자 이 연구의 첫 번째 저자 Gal Ness는 “우리는 빠른 광 펄스를 사용하여 두 가지 원자 상태의 소위 양자 중첩을 생성했다. 비유적으로 말하면, 원자는 마치 동시에 두 가지 다른 색을 가진 것처럼 행동한다”고 설명했다.

색상에 따라 각 원자 쌍은 가벼운 그릇에서 다른 위치를 차지한다. 반대로 다른 하나는 이미 그릇 바닥에 있다. 이 쌍둥이는 움직이지 않는다. 결국 벽을 굴릴 수 없기 때문에 파동 기능을 변경하지 않는다.

물리학자들은 두 개의 클론을 일정한 간격으로 비교했다. 그들은 파동의 차이를 매우 정확하게 감지할 수 있는 양자 간섭이라는 기술을 사용하여 이 작업을 수행했다. 이를 통해 물질파의 상당한 변형이 처음 발생한 시간을 결정할 수 있었다.

실험을 시작할 때 용기 바닥 위의 높이를 변경함으로써 물리학자들은 원자의 평균 에너지를 제어할 수도 있었다. 원칙적으로 금액을 정확히 결정할 수 없기 때문에 평균이다. 따라서 원자의 “위치 에너지”는 항상 불확실하다. Technion 연구팀을 이끌고 있는 Yoav Sagi 교수는 “물질 파동이 변화하는 최소 시간이 이러한 에너지 불확실성에 달려 있음을 입증할 수 있었다. 불확실성이 클수록 Mandelstam-Tamm 시간은 짧아진다”고 말했다.

이것이 두 소련 물리학자들이 예측한 바 였다. 그러나 두 번째 효과도 있었다. 에너지 불확실성이 원자의 평균 에너지를 초과할 때까지 점점 더 증가하면 만델스탐-탐 한계가 실제로 제안하는 것과는 반대로 최소 시간은 더 이상 감소하지 않는다. 물리학자들은 약 20년 전에 이론적으로 발견된 두 번째 제한 속도를 증명했다. 따라서 양자 세계의 궁극적인 속도 제한은 에너지 불확실성뿐만 아니라 평균 에너지에 의해 결정된다.

“복잡한 양자 시스템에 대해 양자 속도 경계를 단일 실험에서 모두 측정할 수 있는 것은 처음”이라고 Alberti는 밝혔다. 미래의 양자 컴퓨터는 문제를 신속하게 해결할 수 있지만 역시 이러한 근본적인 한계에 의해 제약을 받을 수 있다.