Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

물질 세계를 이해하기 위해 과학자들은 단순히 원자들이 어떻게 정지해 있는지뿐만 아니라, 에너지를 받았을 때 어떻게 행동하는지도 알아야 합니다. 분자가 에너지를 흡수하면 전자가 더 높은 단계로 도약하며, 이를 '들뜬 상태(excited states)'라고 부릅니다. 이 찰나의 순간들은 반딧불이의 빛, 노을의 색채, 그리고 생명력을 유지하는 화학 반응의 근원이 됩니다. 컴퓨터는 원자의 평온한 휴식 상태의 에너지를 계산하는 데 매우 능숙해졌지만, 이러한 들뜬 상태의 에너지를 계산하는 것은 여전히 까다로운 문제로 남아 있습니다. 고전적인 컴퓨터는 이러한 고에너지 준위의 복잡성을 처리하는 데 어려움을 겪으며, 종종 신뢰할 수 없는 결과를 내놓기도 합니다. 이러한 한계로 인해 연구자들은 전통적인 슈퍼컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하기 위해 양자 역학의 기묘한 법칙을 이용하는 기계인 양자 컴퓨터로 눈을 돌리고 있습니다. 그러나 오늘날 사용 가능한 양자 컴퓨터는 여전히 규모가 작고 오류가 발생하기 쉬워, 들뜬 상태를 찾는 데 필요한 복잡한 계산을 수행하기가 어렵습니다.

최근 한 연구팀이 빛을 이용해 이 문제를 해결하는 새로운 방법을 선보였습니다. 그들은 '부분 공간 탐색 변분 양자 고유값 솔버(subspace-search variational quantum eigensolver)'라는 기술을 사용하여 고차원 공간에서의 들뜬 상태 에너지 준위를 찾는 데 성공했습니다. 상태를 비교하기 위해 추가적인 보조 입자가 필요한 취약하고 오류가 잦은 방식에 의존하는 대신, 그들은 여러 상태를 동시에 처리할 수 있는 공유 회로를 사용했습니다. 빛 입자의 소용돌이치는 움직임 속에 정보를 인코딩함으로써, 연구진은 단순한 분자와 자기적 원자 사슬의 에너지를 추정할 수 있었습니다. 이 연구는 광자를 사용하여 양자 정보를 전달하는 것이 이전에는 도달할 수 없었던 복잡한 화학 공정을 시뮬레이션하는 데 있어 실용적이고 효율적인 경로를 제공한다는 것을 보여줍니다.

이 분야의 핵심 과제는 시스템의 가장 낮은 에너지 상태를 찾는 것은 양자 알고리즘에게 비교적 간단하지만, 그다음 몇 단계의 에너지 준위를 찾는 것은 훨씬 더 어렵다는 점입니다. 전통적인 방식은 컴퓨터가 서로 다른 상태들 사이에서 일련의 섬세한 비교를 수행해야 하며, 이 과정은 시스템이 커질수록 매우 어려워집니다. 이를 우회하기 위해 연구진은 '부분 공간 탐사 변분 양자 고유값 솔버'라고 알려진 방법을 채택했습니다. 이 접근 방식은 컴퓨터가 서로 구별되는 중첩되지 않는 시작점들을 준비하고 이를 동일한 최적화 과정에 통과시킴으로써 여러 에너지 준위를 동시에 찾아낼 수 있게 해줍니다. 오늘날의 불완전한 기계에서 이 작업을 성공시키기 위한 핵심은, 너무 많은 오류를 유발할 수 있는 깊고 복잡한 연산 시퀀스 없이도 이러한 구별된 시작점들을 준비하는 방법을 찾는 것이었습니다.

연구팀은 양자 비트(qubit)로 광자, 즉 빛의 입자를 사용하기로 했습니다. 구체적으로, 그들은 빛이 자신의 축을 중심으로 코르크 마개처럼 비틀려 돌아가는 성질인 '궤도 각운동량(orbital angular momentum)'을 활용했습니다. 특수한 홀로그래픽 패턴으로 빛을 형상화함으로써, 그들은 서로 다른 '비틀림'을 만들어내어 이를 구별되는 상태로 기능하게 할 수 있었습니다. 여기서 '직교한다(orthogonal)'는 것은 라디오 채널이 서로 간섭하지 않는 것처럼, 상태들이 서로 완전히 독립적임을 의미합니다. 이 방법은 연구진이 깊고 오류가 잦은 게이트 시퀀스를 거치지 않고도 여러 입력 상태를 직접적이고 효율적으로 준비할 수 있게 해주었습니다.

실험에서 연구진은 레이저가 단일 광자 쌍을 생성하는 시스템을 구축했습니다. 한 광자는 다른 광자가 준비되었음을 확인하는 신호 역할을 했고, 두 번째 광자는 양자 프로세서로 보내졌습니다. 프로세서 내부에서 연구진은 빛의 모양을 바꿀 수 있는 장치인 공간 광 변조기(spatial light modulator)에 특정 홀로그래픽 패턴을 표시했습니다. 이 패턴들은 광자를 여러 가지 특정한 비틀린 상태 중 하나로 준비시켰습니다. 그 후 광자는 에너지 특성을 결정하기 위한 필수적인 측정을 수행하는 두 번째 변조기를 통과했습니다. 클래식 컴퓨터는 결과를 모니터링하고 홀로그램의 설정을 조정하며, 에너지 값이 더 이상 변하지 않을 때까지—즉, 정확한 답을 찾았음을 나타낼 때까지—이 과정을 반복했습니다.

연구팀은 이 접근 방식을 두 가지 시스템에 테스트했습니다. 첫째, 헬륨 원자와 수소 원자로 구성된 HeH+라는 단순한 분자를 모델링했습니다. 그들은 바닥 상태와 세 개의 들뜬 상태를 포함한 네 가지 에너지 준위의 에너지를 성공적으로 추정했으며, 실험적 추정치와 이론적 값 사이의 에너지 편차를 계산했습니다. 이어 연구진은 이 방법을 더 복잡한 시스템인, 서로 상호작용하는 8개의 자기적 원자 사슬(8차원 하이젠베르크 사슬)에 적용하여 들뜬 상태의 에너지를 추정했습니다. 두 경우 모두 실험 결과가 목표 에너지 준위에 대한 추정치를 제공함으로써, 시스템의 크기가 커지더라도 이 방법이 작동함을 입증했습니다.

이 증명은 추가적인 하드웨어나 복잡한 오류 수정 단계 없이도 고차원 양자 시스템을 탐구할 수 있음을 보여준다는 점에서 매우 중요합니다. 빛의 자연스러운 특성을 이용해 정보를 인코딩함으로써, 연구진은 현재 세대의 양자 장치에 적합한 확장 가능한 구조를 만들어냈습니다. 들뜬 상태의 에너지를 정확하게 예측하는 능력은 화학 반응과 물질의 특성에 대한 이해를 높여, 잠재적으로 새로운 약물 발견이나 더 효율적인 태양 전지 개발로 이어질 수 있습니다. 이 연구는 전기가 아닌 빛을 사용하여 정보를 처리하는 광자 시스템이, 화학과 물리학의 가장 어려운 문제들을 해결하기 위한 실행 가능하고 자원 효율적인 경로임을 확인시켜 줍니다.