Local error correction prolongs time-crystalline memory
이 연구는 초전도 양자 프로세서에서 확률적 국소 비트 플립 오류 수정을 구현하는 것이 일반적으로 지속 시간을 제한하는 환경적 한계를 극복하여, 2차원 이산 시간 결정의 수명을 유의미하게 연장하고 공간적 질서를 안정화할 수 있음을 입증한다.
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양자 물리학의 조용하고 통제된 세계에서, 연구자들은 단순히 숫자를 계산하는 것이 아니라 물질 그 자체의 거동을 시뮬레이션하는 기계를 만드는 법을 배우고 있다. 이러한 양자 시뮬레이터는 과학자들이 입자 집단이 어떻게 상호작용하는지 관찰할 수 있는 통제 가능한 실험실 역할을 하며, 가장 강력한 고전 컴퓨터조차 예측하기 어려운 복잡한 거동을 엿볼 수 있게 해준다. 이들이 연구하는 가장 매혹적인 현상 중 하나는 '시간 결정(time crystals)'이다. 공간에서 원자 패턴을 반복하는 다이아몬드나 소금 같은 일반적인 결정과 달리, 시간 결정은 시간 속에서 패턴을 반복한다. 이는 일정한 자극이 주어졌을 때, 그 자극과 일치하지 않는 리듬 속에 안착하는 물질의 상태이다. 자극이 가해질 때마다 원래 상태로 되돌아가는 대신, 시스템은 에너지 입력이 허용하는 것보다 훨씬 더 오랫동안 지속되는 안정적이고 반복적인 순환 속에서 앞뒤로 뒤집힌다. 이러한 거동은 시스템이 에너지를 잃고 가라앉으려는 일반적인 경향에 저항하는 질서의 한 형태이지만, 현실 세계에서 이러한 섬세한 리듬은 장비의 노이즈와 결함에 의해 쉽게 깨진다.
도르트문트 대학교(TU Dortmund University)의 물리학 팀은 이제 이 취약한 리듬을 이전보다 훨씬 더 오래 보호할 수 있는 방법을 찾아냈다. 초전도 양자 프로세서를 사용하여, 그들은 벌집 모양 패턴으로 배열된 상호작용하는 스핀 모델에 대해 '국소 오류 수정(local error correction)' 방법을 테스트했다. 실험에서 연구진은 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위인 최대 68개의 물리적 큐비트에 펄스 시퀀스를 가했다. 아무런 개입이 없다면, 기계의 자연적인 노이즈와 펄스의 불완전함으로 인해 시간 결정의 리듬은 빠르게 사라졌을 것이다. 그러나 연구진은 새로운 전략을 도입했다. 시뮬레이션 도중에 발생하는 능동적인 모니터링과 수정 레이어를 추가한 것이다. 그들은 '안실라(ancilla)'라고 불리는 추가 큐비트를 사용하여, 전체 상태를 방해하지 않으면서 이웃 간의 관계를 지속적으로 점검했다. 만약 점검 결과 단일 스핀이 잘못된 방향으로 뒤집히는 것과 같은 작은 실수가 발견되면, 시스템은 즉시 표적 수정을 적용하여 이를 바로잡았다. 이 과정은 완벽하지 않았다. 이는 모든 단계에서 매번 일어나는 것이 아니라 특정 확률에 따라 발생하는 확률적(stochastic) 방식으로 적용되었으며, 다른 유형의 오류는 그대로 둔 채 비트 플립(bit-flip) 오류만을 수정하는 데 집중했다.
결과는 이러한 능동적 개입이 시간 결정 메모리의 수명을 유의미하게 연장했음을 보여주었다. 연구진이 높은 활성화 확률로 이 수정을 적용했을 때, 시스템의 리듬은 수정을 적용하지 않고 동일한 시뮬레이션을 실행했을 때보다 거의 두 배 더 오래 지속되었다. 작은 테스트 패치에서 메모리 붕괴 시간은 약 66 사이클에서 133 사이클로 증가했다. 더 큰 패치에서는 공간적 질서 측면에서 개선 효과가 더욱 극적이었다. 보정 없는 구동(bare drive) 상태에서는 스핀들이 대체로 무질서해졌으나, 수정된 시스템은 전체 격자 전체에 걸쳐 강한 정렬을 유지했다. 연구진은 수정 작업이 스핀들을 시간적으로만 유지하는 것이 아니라, 이웃들이 서로 반대 방향을 가리키는 '불일치 결합(disagreeing bonds)'을 억제함으로써 공간적 위치 관계까지 유지한다는 것을 관찰했다. 흥 흥미롭게도, 연구진은 오류를 수정하지 않고 단순히 시스템을 측정하기만 해도 메모리 붕괴가 더 빨라진다는 것을 발견했는데, 이는 관찰 자체가 아니라 수정 행위 자체가 질서를 보존했음을 증명한다.
이 연구는 또한 구동 펄스가 완벽하게 조정되지 않았을 때 시스템이 어떻게 작동하는지도 밝혔다. 연구진이 펄스 각도를 시간 결정 리듬이 이론적으로 사라져야 하는 설정으로 조정했을 때, 수정 방법은 더 이상 전역적인 뒤집기 패턴을 유지할 수 없었다. 시간적 메모리는 상실되었지만, 스핀의 국소적 정렬은 놀라도록 강하게 유지되었다. 이는 수정이 작은 국소적 실수는 고칠 수 있지만, 시스템이 이상적인 상태에서 너무 멀어질 때 발생하는 근본적인 가열(heating)과 무질서를 극복할 수는 없음을 시사한다. 또한, 연구진은 스핀 구성의 분포를 분석하여 수정 작업이 흩어진 무작위 오류보다는 뒤집힌 스핀들의 크고 연결된 영역을 만들어낸다는 것을 발견했다. 이는 시스템이 단순히 개별적인 실수를 고치는 것이 아니라, 설령 그 구조 전체가 뒤집히더라도 대규모 구조를 유지하고 있음을 나타낸다.
이 보존된 상태의 더 깊은 본질을 이해하기 위해, 팀은 작은 큐비트 집단 간의 양자 얽힘을 조사했다. 그들은 수정 과정이 특히 시스템이 이상적인 시간 결정 영역에 가까울 때 이러한 양자 연결을 더 오랫동안 유지하는 데 도움을 준다는 것을 발견했다. 그러나 시스템이 이 영역에서 벗어남에 따라 얽힘은 약해지기 시작했고, 수정 작업은 시스템이 혼돈스러운 열적 상태로 표류하는 것을 막을 수 없었다. 연구진은 국소적 회복(local recovery)이 비평형 양자 상태의 수명을 연장하는 강력한 도구이지만, 모든 형태의 붕괴에 대한 마법 같은 방패는 아니라고 결론지었다. 그것은 근저의 물리학이 질서를 뒷받침할 때 가장 잘 작동하며, 효과를 거두기 위해서는 측정과 개입 사이의 세심한 균형이 필요하다. 국소 회복이 수정되지 않은 역학보다 시간 결정 메모리를 두 배 이상 길게 보존할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 복잡한 물리적 현상을 더 긴 시간 동안 탐구할 수 있는 더 견고한 양자 시뮬레이터를 구축하기 위한 구체적인 발걸음을 제공한다.
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