Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor
이 논문은 양자 프로세서 상의 (2+1)차원 번역 불변 격자 게이지 이론에서 무질서 없는 국소화를 관찰하였음을 입증하며, 게이지 섹터에 대한 중첩 상태를 활용하여 무질서 구성을 샘플링하는 데 있어 다항식 시간 가속을 달성하는 새로운 알고리즘을 제안한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기
일상적인 물질의 견고한 세계에서, 전기와 열은 보통 무언가가 그 경로를 막기 전까지는 파이프를 흐르는 물처럼 자유롭게 흐릅니다. 수십 년 동안 물리학자들은 만약 재료가 완벽하게 깨끗하고 균일하다면, 에너지는 시스템이 차분하고 예측 가능한 상태로 정착할 때까지 고르게 퍼져 나간다는 것을 이해해 왔습니다. 그러나 만약 재료가 무질서하거나—무작위적인 불순물로 가득 차 있다면—에너지는 마치 파이프가 잔해로 막힌 것처럼 제자리에 갇혀 움직이지 못할 수 있습니다. '국소화(localization)'라고 알려진 이 현상은 에너지의 흐름을 멈추는 잘 알려진 방법입니다. 오랫동안 과학자들은 만약 시스템 내의 입자들이 서로 상호작용한다면, 이 갇힘 효과가 결국 무너져서 재료가 아무리 무질서하더라도 에너지가 다시 흐를 수 있게 될 것이라고 믿었습니다. 하지만 최근의 이론들은 상호작용하는 시스템에서도 무질서가 놀라울 정도로 긴 시간 동안 에너지를 붙잡아 두어, 진정하기를 거부하는 물질의 상태를 만들 수 있다고 시사했습니다.
Google Quantum AI의 연구진과 그 협력자들은 이제 이 아이디어에 대한 놀라운 반전을 관찰했습니다. 그들은 시스템이 완벽하게 깨끗하고 무질서가 전혀 없는 상태에서도 에너지가 갇혀 퍼지지 않을 수 있다는 것을 발견했습니다. 최근 발표된 연구에 담긴 이 발견은 에너지의 흐름을 멈추기 위해 반드시 무질서함이 필요하다는 직관에 도전합니다. 연구진은 강력한 양자 컴퓨터를 사용하여 입자와 힘이 매우 구조적인 방식으로 상호작용하는 특정 유형의 격자를 시뮬레이션했습니다. 그들은 이 격자의 중심부에 작은 에너지 분출을 도입했을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다. 일반적이고 깨끗한 시스템이라면 그 에너지는 격자 전체로 물결치듯 퍼져나가 전체에 고르게 분포될 것입니다. 하지만 그들은 특정 조건에서 에너지가 시작된 바로 그 지점에 머물러 있으며, 확산되기를 거부한다는 것을 발견했습니다.
실험은 양자 입자의 행동을 모방하기 위해 미세한 회로를 사용하는 기계인 초전도 양자 프로세서에서 진행되었습니다. 연구진은 선들로 연결된 점들의 격자인 격자(lattice)의 디지털 모델을 구축했습니다. 이 격자 위에 그들은 두 가지 유형의 구성 요소를 배치했습니다: 에너지를 운반하는 입자 역할을 하는 '물질(matter)' 큐비트와, 이들을 연결하는 힘 역할을 하는 '게이지(gauge)' 큐비트입니다. 연구진은 시스템을 무작위적인 변동이나 불순물이 없는 완벽하게 균일하고 질서 정연한 상태로 준비했습니다. 그런 다음 정지된 연못에 돌을 던지는 것과 유사하게, 격자 중앙에 작은 교란을 일으켰습니다. 표준적인 깨끗한 시스템에서는 그 돌로부터 시작된 물결이 바깥쪽으로 퍼져나가 결국 전체 표면을 덮을 것입니다.
연구진이 관찰한 것은 달랐습니다. 시스템을 양자 중첩(시스템이 동시에 여러 가능한 구성으로 존재하는 상태)을 포함하는 특정 방식으로 준비했을 때, 에너지 교란은 퍼지지 않았습니다. 대신, 그것은 격자 중심 근처에 국한되어 머물렀습니다. 에너지는 갇혀 있었고, 시스템은 교란이 시작된 위치에 대한 기억을 수많은 진화 주기 이후에도 유지했습니다. 저자들이 '무질서 없는 국소화(disorder-free localization)'라고 부르는 이 행동은 1차원 고리와 2차원 격자 모두에서 나타났습니다. 이 현상의 핵심은 무질서의 결여가 아니라, 무질서의 효과를 모방하는 특정한 종류의 질서였습니다. 시스템의 내부 대칭성이 실제 무작위성은 존재하지 않으면서도 에너지를 가두는 효과적인 배경 역할을 하는 환경을 만들어냈습니다.
왜 이런 일이 일어났는지 이해하기 위해, 연구진은 다른 관점에서 시스템을 살펴보았습니다. 그들은 자신들이 만든 깨끗하고 균일한 상태가 사실은 많은 서로 다른 가능한 '무질서' 구성들의 중첩이라는 것을 깨달았습니다. 이 숨겨진 구성들 중 대부분에서 배경 전위는 무질서하고 어지러운 것처럼 보였으며, 이는 에너지를 가두는 것으로 알려져 있습니다. 양자 시스템이 이 모든 가능성을 동시에 탐색하고 있었기 때문에, 에너지는 대부분의 구성에서 갇히게 되었고, 결과적으로 에너지가 움직일 수 없는 전체적인 효과를 낳았습니다. 이것은 단순히 많은 무질서한 실험들을 평균 내는 것과는 다릅니다. 여기서는 단 하나의 깨끗한 실험이 양자 상태가 결합되는 방식 덕분에 자연스럽게 갇힘 효과를 만들어냈습니다.
연구진은 또한 시간이 경과함에 따라 시스템의 내부 연결이 어떻게 변하는지 측정했습니다. 그들은 이 무질서 없는 갇힌 상태에서 시스템의 '얽힘 엔트로피(entanglement entropy, 시스템의 부분들이 얼마나 서로 연결되어 있는지를 나타내는 척도)'가 일반적인 무질서 시스템보다 훨씬 더 빠르게 성장한다는 것을 발견했습니다. 이것은 매우 중요한 발견인데, 왜냐하면 갇힌 상태가 과학자들이 수년간 연구해 온 전통적인 '다체 국소화(many-body localized)' 상태와 근본적으로 다르다는 것을 보여주었기 때문입니다. 이러한 전통적인 무질서 시스템에서는 부분들 사이의 연결이 매우 느리게 성장합니다. 이 새로운 무질서 없는 상태에서는 연결이 빠르게 성장하며, 이는 전통적인 의미에서 완전히 흐르는 것도 아니고 완전히 갇힌 것도 아닌 독특한 유형의 양자 행동을 시사합니다.
연구진은 81개의 큐비트를 가진 2차원 격자에서 동일한 실험을 실행하여 이 발견을 확인했습니다. 1차원 고리에서와 마찬가지로, 시스템을 중첩 상태로 준비했을 때 에너지 교란은 국소화되어 머물렀지만, 단일한 비중첩 상태로 준비했을 때는 자유롭게 퍼져나갔습니다. 결과는 두 차원 모두에서 일관되게 나타났으며, 이는 이 현상이 견고하며 특정 설정의 우연이 아님을 시사합니다. 팀은 또한 실험 데이터를 컴퓨터 시뮬레이션과 비교하였고, 시스템이 더 크고 복잡해짐에 따라 실제 양자 프로세서가 이론적 예측과 밀접하게 일치함을 확인했습니다.
이 작업은 단순히 새로운 물질 상태를 관찰하는 것에 그치지 않고, 무질서 자체를 연구하는 새로운 방법을 제시합니다. 보통 무질서한 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하려면, 과학자들은 무작위로 배열된 불순물들의 서로 다른 배치들을 사용하여 수천 번의 시뮬레이션을 실행하고 그 결과를 평균 내야 합니다. 이는 계산 비용이 많이 들고 어렵습니다. 연구진은 양자 중첩을 사용함으로써 단 한 번의 실험으로 가능한 모든 무질서 구성을 효과적으로 샘플링할 수 있음을 보여주었습니다. 이 접근 방식은 복잡한 재료 연구를 크게 가속화하여, 현재 고전 컴퓨터로는 도달할 수 없는 희귀한 사건과 극한의 조건을 탐구할 수 있게 해줄 것입니다.
이 연구는 물리적 시스템의 대칭성과 에너지가 이동하는 방식 사이의 깊은 연관성을 강조합니다. 이는 에너지의 흐름을 멈추기 위해 반드시 무질서한 환경이 필요한 것이 아니라, 적절한 종류의 양자 질서가 필요하다는 것을 보여줍니다. 이러한 통찰력은 물리학자들이 정보를 퍼지거나 새어나가는 것으로부터 보호할 수 있는 새로운 재료나 양자 장치를 설계하는 데 도움을 줄 수 있으며, 이는 안정적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필수적인 요구 사항입니다. 무질서 없이도 국소화가 일어날 수 있음을 보여줌으로써, 연구진은 양자 시스템이 어떻게 진화하는지에 대한 연구의 새로운 장을 열었으며, 혼돈의 부재가 때로는 그 존재와 동일한 효과를 만들어낼 수 있음을 증명했습니다.
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