[📪정보] 양자 컴퓨터 결어긋남 막는 특별한 대칭 ‘MEM’ 입자 형성

[익명(112.184)]

구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI) 물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 계산을 저하시킬 수 있는 환경 교란에 더 탄력적인 유형의 입자를 연구했다.


마요라나 에지 모드(Majorana edge mode, MEM)로 알려진 이러한 유효 입자(effective particle)는 물 분자의 집단 운동에서 형성되는 파도와 같이 여러 개별 입자의 집단 여기(excitation) 결과로 형성된다. MEM은 환경의 노이즈로부터 깨지기 쉬운 양자 상태를 보호할 수 있는 특별한 대칭을 나타내기 때문에 양자 컴퓨팅 응용 프로그램에서 특히 중요하다.


응집 물질 물리학자 필립 앤더슨(Philip Anderson)에 따르면 물리적 현상과 근본적인 대칭과의 관계를 연구하는 것은 수세기 동안 물리학의 주요 추진력이었다. 대칭은 시스템이 겪을 수 있는 변환에 대한 간단한 진술이며 변경되지 않은 상태로 유지된다. 문제를 단순화하고 기본 물리 법칙을 설명할 수 있다. 새로운 연구에서 대칭성은 양자 결어긋남(decoherence) 과정을 방지할 수도 있다.

응집 물질 물리학자 필립 앤더슨(Philip Anderson)에 따르면 물리적 현상과 근본적인 대칭과의 관계를 연구하는 것은 수세기 동안 물리학의 주요 추진력이었다. 대칭은 시스템이 겪을 수 있는 변환에 대한 간단한 진술이며 변경되지 않은 상태로 유지된다. 문제를 단순화하고 기본 물리 법칙을 설명할 수 있다. 새로운 연구에서 대칭성은 양자 결어긋남(decoherence) 과정을 방지할 수도 있다.


양자 컴퓨터에서 계산을 실행할 때 일반적으로 컴퓨터의 양자 비트 또는 “큐비트(qubits)”가 단일의 순수한 양자 상태에 있기를 바란다. 그러나 결어긋남 현상은 외부 전기장이나 기타 환경 소음이 이러한 상태를 다른 상태와 뒤섞어 바람직하지 않은 상태를 생성함으로써 이러한 상태를 방해할 때 발생한다. 상태에 특정 대칭이 있는 경우 이를 분리하여 특수 대칭이 없는 다른 상태와 혼합할 수 없는 안정성의 섬을 효과적으로 만들 수 있다. 이러한 방식으로 노이즈는 더 이상 대칭 상태를 다른 상태와 연결할 수 없기 때문에 결맞음(coherence) 상태를 유지할 수 있다.

1997년 위상 양자 컴퓨터를 이론적으로 제안한 러시아계 미국인 물리학자 알렉세이 키타에프(Alexei Kitaev)는 대칭 보호 양자 상태를 생성하는 간단한 모델을 2000년에 고안했다. 이 모델은 페르미온(fermions)이라고 하는 상호 연결된 입자 사슬로 구성됐다. 두 개의 효과적인 입자가 사슬의 끝에 나타나는 방식으로 연결될 수 있다. 그러나 이것들은 일반적인 입자가 아니었다. 그것들은 공간에서 비편재화되었고 각각 사슬의 양쪽 끝에서 동시에 나타났다.


이들은 MEM(Majorana Edge Mode)이었다. 두 모드는 소위 패리티 변환(parity transformation)에서 분명히 다른 동작을 했다. 하나의 모드는 이 변환에서 동일하게 보이므로 상태의 대칭이었다. 다른 하나는 마이너스(-) 기호를 선택했다. 이 두 상태 간의 패리티 차이는 많은 외부 노이즈 소스(즉, 패리티 대칭도 있는 소스)에 의해 혼합될 수 없음을 의미한다.


Mi와 그의 동료들은 에지 큐비트의 동작을 체인 중간에 있는 것과 비교하여 MEM의 서명을 찾았다. 중간에 있는 큐비트의 상태는 빠르게 분리되는 반면 가장자리에 있는 큐비트의 상태는 훨씬 더 오래 지속됐다. Mi는 이것이 “외부 결맞음에 대한 MEM의 탄력성에 대한 예비적 표시”라고 말했다.


그런 다음 팀은 MEM의 노이즈 복원력에 대한 일련의 체계적인 연구를 수행했다. 첫 번째 단계로 그들은 시스템의 다양한 양자 상태에 해당하는 에너지를 측정하고 Kitaev 모델의 교과서 예와 정확히 일치한다는 것을 관찰했다. 특히, 그들은 체인의 반대쪽 끝에 있는 두 개의 MEM이 시스템 크기가 커짐에 따라 혼합하기가 기하급수적으로 더 어렵다는 것을 발견했다. 이는 Kitaev 모델의 특징이다.


다음으로 팀은 양자 회로의 제어 작업에 저주파 노이즈를 추가하여 시스템을 교란했다. 그들은 MEM이 대칭이 없는 다른 일반적인 에지 모드와 뚜렷하게 대조되는 그러한 섭동에 면역이 있음을 발견했다. 놀랍게도 팀은 MEM이 Ising 모델의 대칭성을 깨뜨리는 일부 노이즈에도 탄력적이라는 사실을 발견했다. 이는 MEM을 시스템에서 가능한 다른 여기로 변경하는 데 필요한 큰 에너지 비용으로 인해 발생하는 “예열화(prethermalization)” 메커니즘 때문이다.


https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5769?cookieSet=1


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