Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

오늘날의 컴퓨터가 도달할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 기계를 구축하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 정보를 저장하고 처리하는 데 있어 매우 다양한 방법들을 탐색하고 있습니다. 하나의 유망한 접근 방식은 전자의 아주 작은 자기 스핀에 의존하는데, 이는 마치 위나 아래를 가리키는 미세한 나침반 바늘처럼 작동할 수 있습니다. 대부분의 설계에서 연구자들은 각 전자를 개별적인 정보 단위로 취급하여 하나씩 제어하려고 시도합니다. 그러나 다른 전략은 이웃한 전자들이 서로 자리를 바꾸려는 자연스러운 경향, 즉 '교환 상호작용(exchange interaction)'이라 불리는 근본적인 힘에 의해 구동되는 과정을 이용합니다. 이 방법은 상호작용이 단순하고 견고하기 때문에 높은 정밀도를 제공할 수 있는 길을 제시하지만, 한 가지 걸림돌이 있습니다. 바로 전자들을 하나하나 개별적으로 제어할 수 없다는 점입니다. 대신, 전자들은 하나의 통합된 시스템처럼 행동하는 더 큰 클러스터로 묶여야 합니다. 이는 개별 단위를 제어할 때보다 훨씬 더 크고 복잡한 가능한 상태의 지형을 만들어내지만, 동시에 시스템을 탐색하고 측정하는 것을 더 어렵게 만듭니다.

HRL 퀀텀(HRL Quantum)과 마이크로소프트(Microsoft)의 연구진은 이제 이 접근 방식을 숙달하는 데 있어 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 48개의 전자 스핀을 포함하는 장치를 제작하였으며, 이 전체 집단을 하나의 거대한 양자 프로세서로 취급하여 놀라운 정밀도로 조작할 수 있음을 입증했습니다. 연구진은 표준적인 비트 역할을 하는 세 개의 스핀을 분리하여 조작하는 대신, 전체 집단의 총 자기 스핀이 0인 상태에서 전체 배열을 운용했습니다. 이 특정한 구성은 40개의 표준 비트가 담을 수 있는 것보다 더 큰 가능성의 공간에 접근할 수 있게 해주며, 연구진은 일반적인 오류가 발생하는 방식 없이 이를 제어해 냈습니다. 이들의 작업은 개별 단위를 통제하려 하기보다 전체 시스템의 복잡성을 수용함으로써, 다른 선도적인 양자 기술들을 능가하는 수준의 정확도를 달enc할 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 기계가 복잡한 연산을 수행하는 동안 정보를 얼마나 잘 보존하는지 측정하기 위해 설계된 일련의 엄격한 실험들을 통해 시스템을 테스트했습니다. 그들은 먼저 무작위적인 스핀 교환 상호작용 시퀀스를 실행하여, 본질적으로 전자들이 서로의 연결을 예측 불가능한 방식으로 뒤섞도록 했습니다. 기계가 제대로 작동하는지 확인하기 위해, 그들은 이러한 섞기 과정 이후 시스템이 시작 상태로 돌아오는 빈도를 측정했습니다. 그 결과, 단 한 번의 스왑 연산이 수행될 때마다 시스템이 오류를 범할 확률은 약 10,000개 중 3개 정도로 매우 낮았습니다. 이 오류율은 일반적으로 기본 연산에서 1,000개 중 1개 이상의 오류율을 보이는 다른 유형의 양자 컴퓨터들이 보고한 것보다 현저히 낮은 수치입니다. 이 결과는 특히 주목할 만한데, 이는 단순히 단일 구성 요소의 이론적 성능뿐만 아니라 전체 제어 시퀀스에 존재하는 모든 노이즈와 불완전함을 모두 고려한 결과이기 때문입니다.

정보가 이 거대한 전자 집단 속에서 어떻게 퍼져나가는지 이해하기 위해, 연구진은 '아웃 오브 타임 오더 상관 함수(out-of-time-order correlator)'라고 알려진 더 고도화된 테스트를 수행했습니다. 이 실험에서 그들은 시스템의 한 부분에 작은 교란을 도입한 후, 그 교란이 48개의 스핀 전체로 어떻게 퍼져나가는지 관찰했습니다. 그들은 정보가 제자리에 머물러 있는 것이 아니라, 파동과 같은 패턴을 그리며 장치 전체로 흩어지고 퍼져나가는 것을 관찰했습니다. 프로세스 끝부분에서 특정 전자 쌍의 상태를 측정함으로써, 그들은 초기 교란이 나머지 시스템에 정확히 어떤 영향을 미쳤는지 확인할 수 있었습니다. 결과는 완벽하고 노이즈가 없는 기계에 대한 컴퓨터 시뮬레이션과 놀라울 정도로 일치했으며, 이는 전자들이 비록 이토록 크고 복잡한 배열 속에서도 물리학 법칙이 예측하는 그대로 상호작용하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 또한 시스템이 '하이젠베르크 스핀 체인(Heisenberg spin chain)'이라 불리는 특정 유형의 자기 물질을 시뮬레이션할 때 어떻게 행동하는지 탐구했습니다. 그들은 이 물질에서 발견되는 상호작용을 모방하도록 전자를 프로그래밍하였고, 이웃 간의 연결 강도를 조정하며 시스템이 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 그들은 체인을 따라 앞뒤로 이동하며 끝부분에 반사되고 서로 간섭하는 파동의 명확한 패턴을 관찰했습니다. 이러한 패턴은 그들이 선택한 설정에 따라 예측 가능한 방식으로 변화하였으며, 이는 이 장치가 복잡한 물리 모델의 역학을 충실히 재현할 수 있음을 입증했습니다. 비록 시스템이 아직 고전 컴퓨터로는 불가능한 문제를 풀 수 있을 만큼 크지는 않지만, 이러한 자기 상호작용을 높은 충실도로 시뮬레이션할 수 있는 능력은 이 기술이 빠르게 성숙하고 있음을 시사합니다.

이 연구에서 가장 중요한 측면 중 하나는 성공을 측정하는 방법입니다. 연구진은 개별 게이트나 작은 스핀 그룹의 성능을 살피는 대신, 전체 시스템을 평가했습니다. 그들은 48개의 스파인을 별개의 비트 집합이 아닌, 하나의 상호 연결된 실체로 취급했습니다. 이러한 접근 방식 덕분에 그들은 다른 설계에서 보통 오류나 '누설(leakage)'로 간주되는 상태들을 포함하여, 시스템이 사용할 수 있는 전체 범위의 상태를 활용할 수 있었습니다. 이렇게 함으로써 그들은 기계의 진정한 역량을 훨씬 더 정확하게 파악할 수 있었습니다. 데이터에 따르면 시스템의 오류는 단순히 무작위적인 결함이 아니라, 모델링하고 이해할 수 있는 일관되고 예측 가능한 패턴을 포함하고 있었습니다. 이러한 통찰은 미래의 개선을 위해 매우 중요한데, 이는 더 나은 제어 하드웨어와 캘리브레이션 기술을 향한 방향을 제시해주기 때문입니다.

연구진은 자신들의 장치가 매우 우수한 성능을 보이지만, 아직 오류 없이 어떤 알고리즘이라도 실행할 수 있는 완전한 결함 허용(fault-tolerant) 컴퓨터는 아니라는 점을 인정합니다. 그들이 측정한 오류율은 낮기는 하지만, 매우 긴 계산 과정에서는 여전히 누적되어 결국 결과를 압도할 것입니다. 그러나 이 정도 규모의 시스템에서 그토록 낮은 오류율을 달성했다는 사실은 '교환 전용(exchange-only)' 방식이 실행 가능하다는 강력한 지표입니다. 이는 제어 전자 장치와 스핀에 전달되는 펄스 방식이 더욱 정교해짐에 따라 오류율이 더욱 낮아질 수 있음을 시사합니다. 연구진의 작업은 대규모의 전자 집단을 제어하는 문제가 극복 불가능한 것이 아님을 보여줌으로써, 이러한 시스템을 확장하는 방법에 대한 명확한 로드맵을 제공합니다.

양자 컴퓨팅의 광범위한 맥락에서, 이 연구는 개별 큐비트를 제어하는 데 의존하는 지배적인 전략들에 대해 설득력 있는 대안을 제시합니다. 이는 개별 입자를 다룰 수 있는 능력을 포기하더라도, 많은 입자의 집단적 행동을 활용하는 것에 가치가 있음을 입증합니다. 이 실험에서 달성한 높은 충실도는 교환 상호작용이 양자 기계를 구축하는 데 있어 강력한 도구임을 보여줍니다. 분야가 발전함에 따라, 이 48개 스핀 시스템으로부터 얻은 교훈은 향후 장치들이 어떻게 설계되고 테스트될지에 영향을 미칠 것입니다. 이토록 넓은 힐베르트 공간(Hilbert space)을 높은 정밀도로 접근하고 제어할 수 있는 능력은 복잡한 물질을 시뮬레이션하고 어려운 문제들을 해결할 수 있는 새로운 가능성을 열어주며, 실용적인 양자 컴퓨터라는 비전에 한 걸음 더 다가가게 합니다.