양자 컴퓨팅 프로토콜은 배열의 개별 원자를 표적으로 삼는 것을 방지합니다.

차가운 원자를 기반으로 하는 양자 비트(큐비트)는 점점 더 매력적인 양자 컴퓨팅 후보가 되고 있습니다. 그러나 양자 정보를 처리하기 위해 레이저로 배열의 단일 원자를 타겟팅하여 개별적으로 조작하는 것은 여전히 ​​​​어려운 과제입니다. 지금, 프란체스코 세사 및 한네스 피클러 오스트리아 인스브루크 대학(University of Innsbruck)은 개별 원자를 표적으로 삼는 데 의존하지 않는 양자 계산을 위한 새로운 프로토콜을 설계했습니다. 다른 연구자들은 현재 실험실에서 프로토콜을 구현하려고 노력하고 있습니다.

양자 컴퓨터는 가장 강력한 기존 슈퍼컴퓨터의 능력을 넘어서는 일부 계산을 수행할 수 있어야 합니다. 그러나 이 기술은 아직 개발 초기 단계에 있으며 어떤 유형의 큐비트가 가장 적합한지는 확실하지 않습니다. 오늘날 초전도 회로를 기반으로 한 큐비트는 가장 진보된 기술이지만 차가운 이온 배열을 기반으로 한 큐비트도 성공을 거두었습니다.

최근에는 큐비트로 사용하기 위해 초저온 중성 원자 배열도 연구되었습니다. 원자는 안정적이고, 확장 가능하며, 본질적으로 동일하고, 레이저 기술의 발전 덕분에 제어가 가능하다는 점에서 매력적입니다. 원자는 Rydberg 상태로 여기되어 원자가 상호 작용하고 얽힐 수 있습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 핵심 프로세스입니다.

양자 조정

원자 배열에서 레이저는 규칙적인 간격의 광학 핀셋을 형성하여 원자를 제자리에 고정합니다. 다른 레이저는 원자를 자극하여 원자의 양자 상태를 조정하는 데 사용됩니다. 에너지를 방출하고 바닥 상태로 돌아가도록 유도합니다. 또는 원자를 에너지 상태의 중첩 상태로 남겨두는 것입니다. 중첩은 양자 컴퓨팅에 유용합니다.

원자의 상태를 조작하는 레이저는 일반적으로 전체 배열을 조명하므로 개별 원자에 포함된 양자 정보를 처리하기가 어렵습니다. 그러나 2022년에 미국과 영국의 연구팀이 이를 입증했습니다. 단일 원자 타겟팅 레이저빔으로. 또한 그 해에 Pilcher가 포함된 팀은 다음과 같이 다른 접근 방식을 취했습니다. 배열 내에서 단일 원자 이동

Pichler는 “저는 그런 접근 방식을 좋아합니다.”라고 말합니다. 물리 세계그러나 그는 개별 원자를 그다지 많이 제어할 필요가 없는 접근 방식에는 이점이 있을 수 있다고 덧붙였습니다.

Cesa는 "실제로 로컬 주소 지정에 대한 현재 결과는 매우 유망하고 매우 흥미롭습니다. 그러나 이는 Rydberg 원자를 사용한 계산의 가장 섬세한 측면 중 하나로 남아 있습니다"라고 동의합니다. 그는 “이러한 섬세한 도구를 가능한 한 적게 사용하고 대부분 글로벌 제어에 의존하는 것을 선호한다는 것은 이해됩니다.”라고 덧붙였습니다.

함께 묶여

새로운 프로토콜에서 각 큐비트는 와이어라고 불리는 일련의 원자입니다. 각 와이어는 두 가지 양자 상태 중 하나 또는 두 가지의 중첩 상태로 존재할 수 있습니다. Cesa는 "계산의 각 단계에서 정보는 각 와이어의 원자 하위 집합에 저장됩니다"라고 설명합니다. 이 하위 집합은 여기 상태와 바닥 상태 측면에서 다르게 정렬된 원자로 구성된 와이어의 두 부분 사이에 있는 "계면 원자"로 구성됩니다. 표준 구성에서 경계면의 한 쪽 원자는 바닥 상태와 들뜬 Rydberg 상태를 번갈아 가며 다른 쪽 원자는 모두 바닥 상태에 있습니다.

와이어 내에서 원자는 다른 들뜬 원자로부터 특정 거리("뤼드베르그 봉쇄 반경"이라고 불리는 거리) 내에 있으면 들뜨일 수 없습니다. 이는 입사 펄스가 인터페이스의 한쪽 면에 있는 원자만 여기시킨다는 것을 의미합니다. 인터페이스 원자 뒤의 첫 번째 원자의 상태 변경 여부는 인터페이스 원자의 상태에 따라 달라집니다. 이러한 방식으로 인터페이스와 인터페이스가 인코딩하는 정보는 시스템에 펄스가 발생하면 와이어 위로 이동할 수 있고, 펄스가 반전되면 와이어 아래로 이동할 수 있습니다.

지금까지 선 위아래로 이동하는 정보는 변경되지 않았습니다. 인터페이스 원자가 "슈퍼원자"를 만날 때 변화가 발생합니다. 이는 큐비트의 상태를 변경할 수 있는 와이어 배열의 특정 사이트 또는 그 사이에 있는 원자 클러스터입니다. 이는 어레이 내에 보유된 양자 정보를 효과적으로 처리합니다.

Pichler는 “초원자 [구성]의 알고리즘이나 정보 주위를 이동하는 펄스 시퀀스에서 알고리즘을 인코딩하는 것으로 볼 수 있습니다.”라고 설명합니다. 그는 “양자다체계의 자연스러운 역학을 양자 정보 처리와 매우 투명하게 연결하는 것이 아름답다고 생각한다”고 덧붙였다.

보완 프로토콜

Pichler는 그들의 프로토콜이 "양자 프로세서 설계의 추가 손잡이로서" 개별 원자를 대상으로 하는 기술을 보완할 수 있다고 지적합니다. 특정 프로세스는 목표 접근 방식을 사용할 수 있는 반면, 다른 서브루틴은 전체 배열을 전역적으로 처리하여 효율적으로 달성할 수 있습니다. Cesa는 “우리의 아이디어를 활용함으로써 개별 원자 제어에 대한 요구를 대폭 줄이고 언제 사용할지 신중하게 결정할 수 있습니다.”라고 덧붙입니다.

마크 사프만 매디슨에 있는 위스콘신 대학교의 교수는 단일 원자를 표적으로 삼는 전문가입니다. 그는 새로운 프로토콜을 "Rydberg 상호 작용 원자의 전역적으로 제어되는 배열을 사용하여 보편적인 양자 계산을 달성하기 위한 예상치 못한 솔루션"이라고 설명합니다.

새로운 중성 원자 큐비트는 양자 컴퓨팅에 이점을 제공합니다.

그는 말했다 물리 세계 개별 원자의 위치와 양자 상태를 제어해야 하는 요구 사항은 “광학 제어 시스템의 요구 사항에 큰 부담을 줍니다. Cesa와 Pichler의 글로벌 접근 방식은 이러한 요구 사항을 제거하므로 확장성에 대한 경로가 더 짧아질 수 있습니다.” 그러나 그는 또한 "아키텍처에는 가장 까다로운 애플리케이션에서 양자적 이점을 달성하는 데 의심할 여지 없이 필요한 오류 수정 기능이 아직 포함되어 있지 않습니다"라고 지적했습니다.

Pichler와 Cesa는 이에 동의하며 오류 수정을 다음 핵심 작업으로 보고 있습니다. "이것은 양자 처리의 새로운 방식이며 오류를 억제하는 방법에 대한 새로운 사고 방식이 필요합니다."라고 Pichler는 말합니다. 그는 각 큐비트가 하나의 원자가 아닌 일련의 원자를 사용하기 때문에 프로세스가 순진하게 오류에 더 취약한 것으로 간주될 수 있다고 지적합니다. 그러나 오류의 영향은 아직 확인되지 않았습니다.

Cesa와 Pichler는 이미 오류 수정에 도움이 되는 기능을 식별했으며, 각 와이어 큐비트에 있는 대부분의 원자에는 이와 관련된 정보가 없다는 점을 지적했습니다. Pichler는 “이런 종류의 유휴 원자에 대한 오류를 수정하기 위해 본격적인 양자 오류 수정이 필요하지 않습니다.”라고 설명합니다.

Pichler와 Cesa는 이 프로토콜이 초전도 회로를 기반으로 하는 다른 양자 컴퓨팅 플랫폼에도 도움이 될 수 있다고 제안합니다.

프로토콜은 종이 그것은 나타날 것입니다 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters) 그리고 프리 프린트 사용 가능한 arXiv.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/quantum-computing-protocol-avoids-targeting-individual-atoms-in-an-array/