Ultrafast quantum gate operations in a Kramers-Henneberger atom Qubit

시계의 느리고 꾸준한 째깍거림이 아니라, 전자의 격렬하고 번개처럼 빠른 춤으로 컴퓨팅의 규칙이 쓰이는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 우리 우주의 가장 작은 구성 요소들을 지배하는 물리학의 한 분야인 양자 역학의 영역입니다. 이 기묘한 풍경 속에서 입자들은 '중첩(superposition)'이라 불리는 현상을 통해 동시에 여러 상태로 존재할 수 있으며, '얽힘(entanglement)'이라 알려진, 거리를 무시하는 듯한 방식으로 서로 연결될 수 있습니다. 이러한 특성들은 오늘날의 슈퍼컴퓨터가 해결하는 데 수천 년이 걸릴 문제들을 풀어낼 것을 약속하는 기계인 양자 컴퓨터의 핵심 비결입니다. 하지만 함정이 있습니다. 이 섬세한 양자 상태들은 믿을 수 없을 정도로 취약합니다. 주변 환경으로부터 오는 아주 작은 충격—예를 들어 길을 잃은 원자 하나나 미세한 진동 같은 것—도 계산을 망칠 수 있으며, 과학자들은 이 문제를 '결맞음 해제(decoherence)'라고 부릅니다. 유용한 양자 컴퓨터를 구축하기 위해서는 자연이 이를 망가뜨리기 전에 이 상태들에 연산(게이트)을 수행해야 하며, 동시에 시스템을 안정적으로 유지해야 합니다.

크래머스-헨네베르거(Kramers-Henneberger, KH) 원자의 등장을 주목하십시오. 이 원자는 실험실이 아닌, 강력한 레이저의 강렬한 빛 속에서 태어난 기이한 존재입니다. 보통 원자에 강력한 레이저를 쏘면 원자가 찢어져 이온화되고 전자가 흩어지게 됩니다. 하지만 레이저가 충분히 강력하고 충분히 빠르게 진동한다면, 전자가 탈출하지 못한 채 앞뒤로 진동하며 이중 우물 퍼텐셜(double-well potential)에 갇힌 것처럼 느끼는 기묘한 시간 평균 환경을 만들어냅니다. 이것을 마치 거대하고 혼란스러운 파도를 타는 서퍼에 비유해 보십시오. 만약 그들이 리듬에 맞춰 적절하게 움직인다면, 물속으로 휩쓸려 가는 대신 보드 위에 머물 수 있습니다. 본 논문은 이 레이저에 갇힌 전자를 양자 정보의 기본 단위인 '큐비트(qubit)'로 사용할 수 있는지, 그리고 상상할 수 없을 만큼 빠른 속도로 논리 게이트를 수행할 수 있는지를 탐구합니다.

A. Tasnim Aynul과 유니버시티 칼리지 런던(UCL) 및 워릭 대학교 연구진은 이 레이저로 옷을 입은(laser-dressed) 원자를 사용하여 양자 컴퓨터를 구축하는 참신한 방법을 제안합니다. 원자를 레이저로부터 보호하려고 노력하는 대신, 그들은 레이저 자체를 사용하여 컴퓨터의 구조를 만듭니다. 매우 강력한 레이저 장을 원자에 조사함으로써, 그들은 전자가 머무를 수 있는 두 개의 골짜기가 있는 풍경인 '이중 우물' 퍼텐셜을 설계합니다. 이 전자의 가장 낮은 두 에너지 상태, 즉 왼쪽 골짜기에 있는 상태와 오른쪽 골짜기에 있는 상태가 그들 양자 비트의 '0'과 '1'이 됩니다. 계산을 수행하기 위해, 그들은 이 두 상태 사이의 에너지 간격에 완벽하게 조율된 훨씬 더 약한 두 번째 레이저 펄스를 도입합니다. 이 약한 펄스는 전자가 골짜기 사이를 넘나들거나 두 곳 모두에 동시에 존재하는 중첩 상태에 들어가도록 유도하는 부드러운 자극 역할을 합니다.

연구팀은 이 아이디어가 실제로 작동하는지 확인하기 위해 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 놀랍게도 단 몇 십 펨토초(femtoseconds) 만에 양자 컴퓨터의 논리 연산인 단일 큐비트 게이트를 수행할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이해를 돕기 위해 설명하자면, 1 펨토초는 1,000조 분의 1초입니다. 이러한 연산은 현재의 초전도 양자 컴퓨터에서 사용되는 게이트보다 약 100만 배 더 빠릅니다. 시뮬레이션 결과, 그들은 높은 충실도(fidelity), 즉 연산이 정확하게 수행되었음을 의미하는 수준으로 'Z 게이트'(위상을 뒤집는 게이트)와 'S 게이트'(특정 위상 변화를 더하는 게이트)를 성공적으로 실행할 수 있음을 보여주었습니다. 이상적인 모델 버전에서는 6가지 표준 단일 큐비트 게이트 전체 세트(X, Y, Z, Hadamard, S, T 포함)를 시연했습니다. 그러나 현실을 더 밀접하게 모사하는 전체 시간 의존적 시뮬레이션에서는, 시스템의 복잡성으로 인해 다른 게이트들은 어려움을 겪었으나 Z, S, 그리고 Identity 게이트의 성공적인 작동을 확인했습니다.

하지만 이 논문은 이상적인 세계와 실제적인 시뮬레이션의 복잡한 현실 사이를 신중하게 구분하고 있습니다. 전체 시간 의존적 시뮬레이션에서 전자는 완벽하게 갇혀 있지 않습니다. 전자는 가끔 두 주요 골짜기 밖의 높은 에너지 상태로 '누출'되는데, 이는 오류의 원인이 됩니다. 연구진은 게이트의 품질이 전자의 자연스러운 진동과 관련하여 약한 제어 펄스를 정확히 언제 켜느냐에 따라 크게 달라진다는 것을 발견했습니다. 만약 잘못된 순간을 선택하면 게이트는 '누출형(leaky)'이 되어 전자가 큐비트의 통제를 벗어나게 됩니다. 그러나 타이밍을 잘 맞추면 게이트는 훌륭하게 작동하며 전자는 제자리에 머뭅니다. 이 연구는 현재의 설정이 개념 증명(proof-of-concept) 단계이지만, 발생하는 오류들이 '구조적(structured)'이라는 점을 시사합니다. 즉, 오류들이 무작위적인 노이즈가 아니라 레이저의 물리 법칙에 의해 발생하는 예측 가능한 패턴을 따른다는 것입니다. 이는 좋은 소식인데, 왜냐하면 무작위 노이즈는 대응하기 훨씬 어려운 반면, 구조적 오류는 레이저 펄스를 미세 조정함으로써 잠재적으로 수정할 수 있기 때문입니다.

저자들은 이 KH 원자 큐비트가 전통적인 양자 컴퓨팅으로부터의 급진적인 탈피를 나타낸다고 결론짓습니다. 대부분의 시스템에서 강력한 레이저는 오류를 일으키고 큐비트를 파괴하는 적입니다. 여기서 강력한 레이저는 영웅입니다. 그것이 큐비트를 만들고, 붙잡아 두며, 스스로 이온화되어 찢겨 나가는 것으로부터 보호합니다. 게이트가 매우 빠르기 때문에 원자들이 서로 부딪히거나 열 진동이 발생하는 것과 같은 일반적인 환경 문제들이 연산 중에 일어날 시간이 거의 없습니다. 연구팀이 아직 물리적인 기계를 구축하지 않았고 그들의 결과가 현재 컴퓨터 시뮬레이션에 국한되어 있지만, 그들은 명확한 경로를 제시했습니다. 그들은 더 높은 주파수의 레이저를 사용하거나 원자를 '리드베리(Rydberg)' 상태(매우 크고 들뜬 상태의 원자)로 여기면, 이러한 연산을 펨토초보다 더 빠른 앳토초(attosecond) 영역까지 밀어붙이고 시스템을 더욱 견고하게 만들 수 있다고 제안합니다. 이 연구는 빛과 물질의 강렬하고 혼란스러운 춤으로부터 직접적인 계산 능력이 탄생하는 새로운 종류의 양자 컴퓨팅으로 향하는 문을 열어줍니다.