Programming anharmonic potentials in a superconducting harmonic oscillator

양자 세계에서 물질의 가장 근본적인 구성 요소들은 종종 완벽한 스프링처럼 행동합니다. 원자가 진동하거나 분자가 흔들릴 때, 이는 종종 조화 진동(harmonic oscillation)이라고 알려진 단순하고 예측 가능한 리듬을 따릅니다. 이러한 동작은 매우 신뢰할 수 있어서 과학자들은 이 진동 시스템을 정보를 처리하기 위한 안정적인 토대로 사용하여 전체 양자 컴퓨터를 구축해 왔습니다. 그러나 실제 우주는 그렇게 단순하지 않습니다. 화학 반응, 분자가 분해되는 방식, 그리고 생명 자체를 움직이는 복잡한 상호작용들은 완벽한 스프링을 따르지 않는 힘들에 의해 지배됩니다. 이러한 힘들은 '비조화적(anharmonic)'이며, 이는 얼마나 멀리 늘리거나 압축하느냐에 따라 그 거동이 변한다는 것을 의미합니다. 이러한 실제 세계의 과정을 시뮬레이션하기 위해, 연구자들은 이러한 복잡한 비선형 힘들을 필요에 따라 만들어낼 수 있어야 합니다. 지금까지는 이러한 특정한 맞춤형 힘을 설계하는 것이 상당한 장애물이었으며, 종종 새로운 작업마다 고유한 하드웨어를 필요로 했습니다.

이제 한 연구팀이 초전도 양자 장치에 이러한 복잡한 힘을 직접 프로그래밍할 수 있는 유연한 방법을 시연했습니다. 그들은 자연스럽게 완벽한 스프링처럼 진동하는 장치인 양자 조화 진동자와 함께 작업했으며, 이를 트랜스몬 큐비트(transmon qubit)라고 불리는 작은 인공 원자에 연결했습니다. 두 장치 사이의 상호작용을 정밀하게 제어함으로써, 그들은 양자 힘을 형성하는 보편적인 도구로서 작동할 수 있는 시스템을 만들었습니다. 새로운 유형의 진동을 연구할 때마다 새로운 기계를 만드는 대신, 그들은 단일한 재구성 가능한 회로를 개발했습니다. 이 회로는 인공 원자의 빠른 회전과 진동자의 위치 변화를 번갈아 가며 수행함으로써 작동합니다. 연구진은 회전의 각도를 변경하는 것만으로 장치가 다양한 복잡한 퍼텐셜을 모방하도록 프로그래밍할 수 있었으며, 결과적으로 진동자가 맞춤 설계된 에너지 지형에 갇혀 있는 것처럼 행동하도록 효과적으로 지시할 수 있었습니다.

연구팀은 먼저 이 방법을 사용하여 큐빅 위상 게이트(cubic phase gate)를 생성하며 테스트했습니다. 이는 범용 양자 연산을 수행하는 데 필수적인 특정 유형의 힘입니다. 연구진은 진동자가 중심에서 멀어질수록 더 강해지는 힘을 적용하도록 장치를 프로그래밍했는데, 이는 표준적인 스프링으로는 불가능한 동작입니다. 성공 여부를 확인하기 위해, 그들은 점별 힘 재구성(pointwise force reconstruction)이라는 기술을 사용했습니다. 그들은 일련의 부드럽고 잘 정의된 프로브(probe)를 시스템에 통과시켜 진동자의 운동량이 얼마나 변했는지를 측정했습니다. 이러한 변화를 매핑함으로써, 그들은 장치가 적용한 힘의 형태를 재구성할 수 있었습니다. 결과는 장치가 의도한 큐빅 형태를 성공적으로 생성했음을 보여주었으며, 측정된 힘은 프로그래밍된 목표치와 매우 작은 오차 범위 내에서 일치했습니다. 이 게이트를 통해 생성된 양자 상태는 매우 복잡하고 비표준적이었으며, 이는 장치가 고급 양자 정보 처리에 필요한 비가우시안(non-Gaussian) 자원을 성공적으로 생성했음을 확인시켜 주었습니다.

이러한 성공을 바탕으로, 연구진은 이중 우물 퍼텐셜(double-well potentials) 제품군을 설계했습니다. 이는 언덕으로 구분된 두 개의 골짜기 모양을 가진 에너지 지형으로, 입자가 장벽을 통해 터널링하거나 화학 결합이 끊어지고 재형성되는 과정을 이해하는 데 중요한 형태입니다. 연구진은 두 골짜기가 동일한 대칭적인 이중 우물을 만들도록 장치를 프로그래밍했고, 설정을 수정하여 한쪽 골짜기가 더 깊은 비대칭 버전을 만들었습니다. 또한 언덕이 완전히 사라져 하나의 경사면만 남은 '깨진(broken)' 버전도 만들었습니다. 각 경우에 대해 힘 프로파일의 재구성은 의도한 형태를 명확히 보여주었습니다. 대칭 버전의 경우 힘은 완벽하게 균형을 이루었고, 비대칭 버전에서는 균형이 프로그래밍된 대로 이동했으며, 깨진 버전에서는 특징적인 이중 골짜기 구조가 사라졌습니다. 이는 시스템이 복잡한 형태를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 그 형태의 대칭성을 변경할 수 있도록 높은 정밀도로 튜닝될 수 있음을 입증했습니다.

마지막으로, 연구팀은 가장 도전적인 목표 중 하나인 모스 퍼텐셜(Morse potential)에 도전했습니다. 이는 원자가 분자 내에서 어떻게 진동하고 결국 분리되는지를 설명하는 특정 유형의 힘으로, 한쪽은 가파른 벽이고 다른 한쪽은 완만하게 평탄해지는 경사를 특징으로 합니다. 이 형태는 그들이 이전에 만들었던 다항식 형태와 근본적으로 다른데, 이는 지수 곡선을 포함하기 때문입니다. 연구진은 장치가 이 퍼텐셜을 근사하도록 프로그래그램했습니다. 재구성은 일반적인 형태를 보여주었지만, 모스 퍼텐셜의 가파르고 날카로운 벽은 완전히 해상되지 않았습니다. 연구진은 이러한 제한이 그들의 프로그래밍 결함 때문이 아니라, 측정 방법 자체의 결과임을 확인했습니다. 그들이 사용한 프로브는 유한한 폭을 가지고 있었기에, 마치 약간 흐릿한 렌즈가 사진의 미세한 가장자리를 포착할 수 없는 것처럼 힘의 가장 날카로운 세부 사항을 뭉뚱그려 표현했습니다.

시뮬레이션을 통해 연구팀은 만약 위치 측면에서 훨씬 더 좁게 압착된(squeezed) 다른 유형의 프로브를 사용한다면, 모스 퍼텐셜의 날카로운 벽이 높은 충실도로 회복될 것임을 보여주었습니다. 이 발견은 명확한 향후 경로를 제시했습니다: 하드웨어는 해당 작업을 수행할 능력이 있으며, 남아 있는 제한 사항은 단순히 더 정밀한 측정 도구를 사용하는 문제일 뿐이며, 이는 이미 유사한 실험 설정에서 사용 가능한 도구라는 것입니다. 이 연구는 비조화 퍼텐셜을 프로그래밍하는 실용적이고 재구성 가능한 경로를 확립했습니다. 연구진은 오직 회전 각도 세트만을 변경함으로써, 동일한 하드웨어에서 큐빅 힘, 이중 우물 트랩, 그리고 분자 진동 모델을 전환하며 생성할 수 있습니다. 이러한 능력은 복잡한 분자 역학 및 화학 반응을 이전에는 도달할 수 없었던 수준의 상세함으로 시뮬레이션할 수 있는 문을 열어주며, 양자 시뮬레이션을 물리적 세계의 현실에 더 가깝게 이동시키고 있습니다.