On-chip generation of multi-qubit graph states with high-dimensional encoded single photons

당신이 레고 브릭으로 거대하고 정교한 성을 쌓으려고 노력하고 있다고 상상해 보십시오. 양자 컴퓨팅의 세계에서 이 '브릭'들은 광자라고 불리는 빛의 아주 작은 입자이며, '성'은 얽힘 상태(entangled state)라고 알려진 복잡한 연결망입니다. 이것이 바로 양자 정보 과학의 놀이터입니다. 이 분야는 아주 작은 세계의 기묘한 규칙들을 이용해 현재의 슈퍼컴퓨터가 푸는 데 영겁의 시간이 걸릴 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 하지만 여기에는 문제가 있습니다. 가지고 놀 수 있는 충분한 양의 광자를 얻는 것이 믿기 힘들 정도로 어렵다는 점입니다. 이는 마치 몇 시간마다 하늘에서 떨어지는 단 하나의 희귀한 브릭을 기다리며 성을 쌓으려는 것과 같습니다. 과학자들은 한 번에 많은 광자를 사용하는 방식으로 이를 해결하려 노력해 왔지만, 그것은 마치 백 개의 떨어지는 브릭을 동시에 잡으려는 것과 같아서, 종종 놓치거나 전체 더미가 무너져 버리곤 합니다.

이를 극복하기 위해 연구자들은 영리한 속임수를 탐구해 왔습니다. 더 많은 브릭을 기다리는 대신, 만약 우리가 하나의 브릭이 여러 명의 몫을 하게 만들 수 있다면 어떨까요? 광자는 특별합니다. 왜냐하면 광자는 진동하거나, 움직이거나, 존재하는 방식인 다양한 '맛(flavors)' 또는 '자유도(degrees of freedom)'를 가지고 있기 때문입니다. 광자를 단순히 하나의 구슬로 보는 것이 아니라, 여러 가지 색으로 칠해지고, 다양한 모양을 갖추며, 동시에 여러 곳에 놓일 수 있는 마법의 구슬이라고 생각해 보십시오. 이러한 광자의 다양한 '맛'에 정보를 인코딩함으로써, 과학자들은 하나의 작은 입자에 방대한 데이터를 담을 수 있습니다. 이 논문은 이 '슈퍼 브릭' 전략을 사용하여, 산더미 같은 희귀한 광자 없이도 어떻게 더 크고 복잡한 양자 구조를 구축할 수 있는지에 대해 다룹니다.

빛을 작은 고속도로처럼 안내하는 실리콘 칩을 활용하여, 연구진은 이러한 복잡한 양자 상태를 생성하는 새로운 방법을 제안합니다. 한 번에 많은 광자를 만드는 데 애쓰는 대신, 그들은 더 작은 그룹의 광자를 가져와서 각 광자를 확장하여 여러 개의 정보를 보유하게 만드는 '고차원(high-dimensional)' 기술을 사용합니다. 하나의 실타래를 접어서 한 팀의 사람들을 나타내는 복잡한 종이접기(origami) 모양을 만드는 것을 상상해 보십시오. 실험에서 그들은 프로그래밍 가능한 실리콘 칩을 사용하여 네 개의 광자를 가져왔고, 경로를 조작하고 특정한 층위 방식으로 측정함으로써, 이들을 거대한 16-큐비트 양자 상태(큐비트는 일반 컴퓨터의 비트와 같은 양자 정보의 기본 단위입니다)로 변환했습니다.

연구팀은 이를 두 가지 특정 유형의 양자 '성'을 구축함으로써 입증했습니다. 첫째, 그들은 그린버거-호른-제일링거(GHZ) 상태를 구축했습니다. 이는 한 부분을 바꾸면 전체가 즉각적으로 변하는 특별한 종류의 초연결 그룹입니다. 그들은 단 네 개의 광자를 사용하여 10-큐비트 버전의 이 상태를 만들어냄으로써, '하나의 광자가 여러 역할을 수행한다'는 아이디어가 작동함을 증명했습니다. 그들은 이 상태의 품질을 측정했으며, 4-큐비트 버전에서 0.961의 '충실도(fidelity, 완벽한 이론적 버전과 얼마나 유사한지를 나타내는 점수)'를 기록하며 매우 정확하다는 것을 발견했습니다. 더욱 놀라운 점은, 그들이 10-큐비트 상태가 진정으로 얽혀 있음을 확인했다는 것입니다. 이는 전통적인 방식으로는 거의 불가능에 가까운 성과인데, 왜냐하면 10개의 광자가 함께 작동할 확률은 너무나 천문학적으로 낮아서 그것을 목격하는 데 우주의 나이보다 더 긴 시간이 걸릴 것이기 때문입니다.

둘째, 그들은 동일한 접근 방식을 사용하여 단 하나의 광자로 '클러스터 상태(cluster state)'를 구축했습니다. 이 유형의 상태는 '일방향 양자 컴퓨팅(one-way quantum computing)'이라 불리는 특정 종류의 양자 컴퓨팅을 위한 연료입니다. 그들은 이 단일 광자 클러스터 상태가 0.991의 충실도를 가질 만큼 높은 품질임을 보여주었으며, 이를 통해 그로버(Grover) 알고리즘이라는 유명한 탐색 알고리즘을 실행할 수 있음을 보여주었습니다. 테스트에서 칩은 네 가지 가능성이 있는 데이터베이스에서 '표시된' 항목을 98.7%의 성공률로 찾아냈습니다.

이 논문은 이 방법이 한 번에 엄청난 수의 광자를 생성하려고 노력하는 것보다 훨씬 더 효율적인 길이라고 주장합니다. 전통적인 방식은 규모를 키울 때 낮은 효율성과 높은 오류율로 고전하는 반면, 이 '고차원 인코딩' 접근 방식은 더 적은 자원으로 더 크고 복잡한 상태를 구축할 수 있게 해줍니다. 저자들은 이 기술을 사용하면 결국 단일 칩 위에 수백 개의 큐비트를 가진 양자 상태를 만드는 것이 가능할 수도 있다고 제안합니다. 그들은 단지 제안만 한 것이 아니라, 실제로 회로를 구축하고, 실험을 실행하고, 결과를 측정함으로써, '종이접기 광자' 전략이 양자 컴퓨팅의 가장 큰 병목 현상 중 하나에 대한 실제 작동하는 해결책임을 보여주었습니다.