Ultracoherent superconducting cavity-based multiqudit platform with error-resilient control
이 논문은 15ms를 초과하는 광자 수명을 통해 초고결맞음(ultracoherence) 저장을 달성하고, 고차원 포크 상태(Fock state)의 준비와 완벽에 가까운 얽힘을 가능하게 하는 고충실도 오류 내성 제어를 실현함으로써, 공동 기반 시스템을 단순 메모 용도를 넘어 확장 가능한 모듈형 양자 프로세싱으로 진전시키는 보조 트랜스몬에 결합된 2모드 초전도 무선 주파수 공동 플랫폼을 입증한다.
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
양자 컴퓨팅의 세계를 정보가 종이에 기록되는 것이 아니라, 작고 보이지 않는 입자들의 섬세한 진동 속에 저장되는 거대하고 긴장감 넘치는 도서관이라고 상상해 보십시오. 수년 동안 과학자들은 '큐비트(qubit)'를 사용하여 이 도서관을 구축하려고 노력해 왔습니다. 큐비트는 켜지거나 꺼질 수 있는 작은 전등 스위치와 같습니다. 하지만 문제가 있습니다. 이 스위치들은 믿기지 않을 정도로 취약합니다. 작은 충격, 열기 한 자락, 혹은 길을 잃은 자기장이 실수로 스위치를 뒤집어 버려, 그들이 들려주려는 이야기를 망쳐버릴 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 스위치가 더 오래 지속되도록 만들려고 노력해 왔지만, 이는 마치 비누 방울 위에 걸려 있는 상태에서 걸작을 그리려고 하는 것과 같습니다.
하지만 이 도서관을 생각하는 다른 방법이 있습니다. 단순히 켜짐/꺼짐 스위치를 사용하는 대신, 동시에 여러 가지 음을 연주할 수 있는 악기를 사용한다고 상상해 보십시오. 물리학에서 이것들은 '큐디트(qudit)'라고 불립니다. 큐비트가 앞면 아니면 뒷면인 동전이라면, 큐디트는 낮은 음, 높은 음, 또는 그 사이의 어떤 음도 연주할 수 있는 피아노 건반과 같습니다. 이를 통해 단 하나의 지점에 훨씬 더 많은 정보를 담을 수 있습니다. 문제는 항상 이 '악기'들을 망가뜨리지 않고 제어하기가 어렵다는 점이었습니다. 만약 너무 크게 혹은 너무 빠르게 음을 연주하려고 하면, 악기가 산산조각 날 수도 있습니다. 과학자들의 큰 과제는 바로 이것이었습니다. '음 하나를 오랫동안 유지할 수 있으면서도, 부서지지 않고 복잡한 곡을 연주할 수 있을 만큼 다루기 쉬운 악기를 만들 수 있을까?'
이것이 바로 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)와 노스웨스턴 대학교의 연구팀이 해결하고자 했던 문제입니다. 그들은 초전도 무선 주파수(SRF) 공동(cavity)을 사용하여 특별한 '양자 악기'를 제작했습니다. 이는 본질적으로 빛(마이크로파 광자의 형태)을 내부에 가두는 아주 깨끗한 금속 상자와 같습니다. 이 상자를 공이 속도를 잃지 않고 영원히 굴러갈 수 있는 완벽하게 매끄럽고 조용한 볼링장이라고 생각해 보십시오. 하지만 유용하게 사용하려면 공을 치고 경로를 바꿀 수 있어야 합니다. 보통 공을 치는 데 사용되는 도구들(이를 '제어 회로'라고 부릅니다)은 너무 지저분해서 소음을 유발하고 공이 예상보다 훨씬 빨리 멈추게 만듭니다.
연구팀의 돌파구는 '히터(hitter)'(트랜스몬이라 불리는 작은 회로)가 '볼링장'(공동)에 아주 부드럽게 연결되도록 설계하여, 공의 완벽한 구름을 방해하지 않으면서도 여전히 공을 안내할 수 있을 만큼 강력하게 만드는 것이었습니다. 그들은 단일 광자(빛의 입자)를 한 모드에서는 무려 20.6 밀리초, 다른 모드에서는 15.6 밀리초 동안 상자 안에 살아있게 유지하는 데 성공했습니다. 사물이 보통 마이크로초 단위로 사라지는 양자 역학의 세계에서, 이는 비누 방울을 오후 내내 떠 있게 만드는 것과 같습니다.
하지만 공을 계속 굴리는 것은 전투의 절반에 불과합니다. 또한 노래를 연주할 수 있어야 합니다. 연구진은 '사이드밴드(sideband)' 기술이라는 영리한 방법을 개발했는데, 이는 특정 리듬을 사용하여 공을 에너지 계단의 위로 밀어 올리는 것과 같습니다. 그들은 최대 20개의 광자(공 20개를 한 줄로 쌓는 것과 같은 상태)를 가진 상태를 만들고자 했습니다. 문제는 공을 밀어 올릴 때마다 '히터' 회로가 실수를 하여 공이 계단 아래로 미끄러질 가능성이 있다는 것이었습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 '사이드밴드 피드포워드 프로토콜(sideband feedforward protocol)'을 발명했습니다. 이는 공이 올라가는 모든 단계를 지켜보는 심판을 상상하는 것과 같습니다. 만약 심판이 공이 미끄러지는 것을 발견하면, 공이 너무 많이 떨어지기 전에 다시 밀어 올리라는 수정 명령을 즉시 내립니다. 만약 심판이 더 큰 문제를 발견하면, 해당 시도를 무시하고 다시 시도하도록 선택할 수도 있습니다.
이 오류 검출 시스템을 사용하여, 연구팀은 20개의 광자까지 성공적으로 준비하며 95% 이상의 성공률(충실도)을 달ert했습니다. 또한 그들은 공동의 두 모드를 결합하여, 두 개의 '볼링장'이 비밀스러운 연결을 공유하는 얽힘 상태를 만들어냈습니다. 이 오류 검정 및 사후 선택 기법을 적용했을 때, 그들은 **99.9%**에 육박하는 얽힘 충실도를 달성했습니다. 이는 그들이 시스템의 자연스럽고 불가피한 붕괴에 의해서만 제한될 뿐, 거의 완벽한 정확도로 두 모드 사이에서 정보를 교환할 수 있음을 의미합니다.
이 논문은 좋은 제어를 얻기 위해 결맞음(상태의 '긴 수명')을 희생해야 한다는 생각을 명시적으로 배제합니다. 그들은 약한 결합과 스마트한 오류 수정을 사용함으로써, 두 가지를 모두 가질 수 있다는 것을 보여주었습니다. 또한 제어 회로의 가열이 소음의 주요 원인이었지만, 이는 해결 불가능한 문제가 아니라 감지하고 걸러낼 수 있는 문제임을 입증했습니다. 결과는 단순한 시뮬레이션이 아니라, 고차원 양자 상태가 높은 정밀도로 생성되고 조작될 수 있음을 보여주는 측정된 실험 데이터입니다. 이 연구는 이 '다중 음' 큐디트를 사용하는 양자 컴퓨터를 구축하는 실질적인 경로를 제시하며, 이는 복잡한 화학 및 물리학을 시뮬레이션하는 데 있어 더 콤팩트하고 강력하게 만들 수 있는 동시에, 외부 세계의 혼돈으로부터 섬세한 양자 정보를 안전하게 지킬 수 있게 해줍니다.
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