Pulsed control of an entanglement-breaking index: thermal valleys, a certified valve, and its open-close asymmetry
이 논문은 열 큐비트 충돌 루프 내에서 욕조 편극(bath polarisation)의 펄스 제어가 얽힘 파괴 지수가 정적 한계 미만으로 떨어지는 인증된 "열적 계곡(thermal valleys)"을 생성할 수 있음을 입증하며, 이는 국소적 비율이 아닌 집단적 응답 역학에 의해 유도되는 유의미한 개폐 비대칭성을 드러낸다.
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양자 세계에서 입자들은 우리의 일상적인 경험을 거스르는 방식으로 연결될 수 있는데, 이 연결을 얽힘(entanglement)이라고 부른다. 이 연결은 매우 섬세하여 주변 환경과의 아주 작은 상호작용만으로도 끊어질 수 있으며, 이로 인해 입자들은 특별한 유대감을 잃고 평범하고 독립적인 객체처럼 행동하게 된다. 과학자들은 양자 시스템이 이러한 침식으로부터 얼마나 오래 생존할 수 있는지를 측정하기 위해, 입자들이 얽힘이 완전히 파괴되기 전까지 환경과 몇 번이나 상호작용해야 하는지를 센다. 이 횟수를 얽힘 파괴 지수(entanglement-breaking index)라고 한다. 이 결합이 정확히 언제, 어떻게 깨지는지를 이해하는 것은 이러한 취약한 연결에 의존하여 계산을 수행하는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 매우 중요하다. 만약 시스템이 너무 빨리 얽힘을 깨뜨린다면, 컴퓨터는 기능을 수행할 수 없다. 연구자들은 일부 시스템의 경우 환경의 온도가 놀라운 역할을 한다는 것을 오랫동안 알고 있었다. 때때로 중간 정도의 온도가 극심한 고온이나 극심한 저온보다 얽힘을 더 빠르게 파괴하기도 한다. 이 현상은 시스템이 양자적 유대를 유지하는 능력에 있어 움푹 파인 구간인 '열적 계곡(thermal valley)'을 만들어낸다.
텔아비브 대학교의 한 연구자는 온도를 고정하지 않고 대신 매 순간 급격하게 변화시킬 때 어떤 일이 일어나는지 탐구했다. 그들은 온도를 제어 노브(control knob)로 취급하여, 얽힘이 깨지는 순간을 조절할 수 있는지 확인하기 위해 특정 순서에 따라 온도를 높였다 낮추었다 했다. 그들의 목표는 이러한 급격한 변화를 사용하여 양자 연결을 의도대로 켜고 끌 수 있는 스위치처럼 사용할 수 있는지 확인하는 것이었다. 특정 양자 회로에 대한 수백만 번의 컴퓨터 시뮬레이션을 실행함으로써, 그들은 극도로 정밀하게 이 시스템들의 거동을 지도화했다. 그들은 열적 계곡이라는 개념이 실재하지만, 이 계곡의 깊이가 놀라울 정도로 얕다는 것을 발견했다. 수백만 개의 가능한 회로 설계들을 훑는 방대한 탐색 과정에서, 그들은 이 효과가 현재의 실험 도구로 쉽게 관찰될 만큼 강력한 사례를 단 하나도 찾지 못했다. 그들이 발견한 가장 강력한 효과는 주변의 거동과 비교했을 때 불과 0.1% 미만의 차이를 보이는 아주 미세한 굴곡이었으며, 이는 자연이 열적 계곡이 얼마나 눈에 띄게 보일 수 있는지에 대해 엄격한 한계를 설정하고 있음을 시사한다.
이러한 작은 크기에도 불구하고, 연구자는 이 계곡들을 사용하여 기능적인 스위치를 구축할 수 있다는 것을 발견했다. 그들은 시스템이 얽힘이 깨진 상태로 유지되는 특정 회로 설계에 집중했다. 온도를 특정 단계 동안 정해진 수만큼 다른 값으로 잠시 변화시킴으로써, 그들은 얽힘을 복구할 수 있었다. 그들은 만약 과정 중간에 정확히 8단계 동안 온도를 변화시킨다면 얽힘이 돌아올 것임을 수학적으로 증명했다. 만약 7단계 동안만 변화시키거나, 과정의 맨 처음 또는 맨 끝에서 변화시킨다면 얽는은 돌아오지 않았다. 이 8단계의 창(window)은 인증된 트리거 역할을 한다. 연구자는 또한 이 스위치가 연결을 닫을 때보다 열 때 훨씬 더 잘 작동한다는 것을 발견했다. 얽힘을 복구한 후 다시 깨뜨리기 위해서는 21단계에서 35단계 사이의 다른 온도를 적용해야 했다. 이러한 비대칭성은 시스템이 한쪽 방향에서 다른 쪽 방향으로 더 빠르게 반응하기 때문이 아니라, 시스템이 각 방향에서 파괴 지점으로부터 시작하는 거리가 다르기 때문이며, 시스템이 일련의 변화에 반응하는 방식이 파괴 지점으로 밀려날 때와 멀어질 때가 서로 다르기 때문이다.
이 연구는 또한 이러한 신호들이 얼마나 취약한지도 밝혀냈다. 연구자는 시스템이 작동하기 위해서 환경이 매우 조용해야 하며, 오류가 만 단계 중 한 번 미만으로 발생해야 한다고 계산했다. 소음이 이보다 높으면 스위치의 섬세한 특징은 사라진다. 흥격하게도, 그들은 온도를 바꾸지 않고도 환경의 양자 상태를 약간 기울게 만드는 것만으로도 스위치를 열 수 있으며, 이 방법이 온도를 바꾸는 것보다 더 효과적이라는 것을 발견했다. 그러나 이 방법은 현재의 양자 하드웨어로는 도달할 수 없는 수준의 제어를 요구한다. 연구자는 이러한 열적 계곡의 물리학은 타당하며 그 거동이 수학적으로 증명되었지만, 이를 보여주는 장치를 실제로 구축하는 것은 아직 존재하지 않는 수준의 정밀도를 가진 기계를 필요로 한다고 결론지었다. 이 연구는 이론적으로 무엇이 가능한지에 대한 엄격한 지도를 제공하며, 스위치는 실재하지만 그것을 구축하는 길은 가파르고 좁다는 것을 보여준다.
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