물리 정보 손실로 강화되는 얽힘

2013.12.18 19:09

가을의 곰을... 조회 수:1985

정보 손실로 강화되는 얽힘

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013120342&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-11

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얽힘은 순전히 양자 역학적 현상이며 양자 정보 시스템에서 핵심적인 역할을 한다. 그것은 포톤이나 전자와 같은 두 입자가 고전 물리에서 예측한 것보다 훨씬 더 가까운 관계를 가질 수 있게 해준다. 그리고 이런 관계는 양자 컴퓨터와 암호학에 이용될 수 있는 것이다. 물리학자들은 다양한 양자 시스템에서 얽힌 상태를 생산하고 유지하고자 하지만 이런 상태를 생성하는 중에 발생하는 문제는 양자 시스템이 주위 환경과 상호작용할 때 발생하는 얽힘의 파괴이다. 이런 문제를 피하기 위해서, 연구진은 얽힌 상태를 주위 환경으로부터 완전히 분리시키려고 노력하였지만, 쉬운 문제가 아니었다.

그러나 최근 새로운 이론적 연구가 주위 환경과 소모적인 상호작용이 간섭성을 보존하는 데 사용될 수 있다는 것을 보였으며 이 방법은 이미 단일 큐비트의 상태를 안정화시키기 위해서 사용되고 있다. 이제 두 연구 그룹이 한 단계 더 나아가 실제로 소모를 이용하여 두 개의 다른 시스템에서 얽힌 상태를 생성하고 유지시켰다. 한 팀은 이온을 사용하였으며 다른 한 팀은 초전도 큐비트를 사용하였다. 즉, 두 국제 연구진은 두 개의 다른 물리적 시스템을 연구하였지만, 그들은 모두 얽힌 양자 시스템은 그것이 에너지를 소멸하는 주위환경에 결합시킴으로써 생성되고 유지될 수 있다는 것을 보였다.

덴마크 코펜하겐 대학교의 Anders Sørensen과 동료 연구진은 미국 표준 기술 연구소의 연구진과 공동으로 두 개의 포획된 베릴륨(beryllium) 이온 사이의 안정된 얽힌 상태를 만들었다. 그들은 동일한 트랩 안의 두 마그네슘 이온에 의한 “동정(sympathetic) 냉각”을 포함한 맞춤형 상호작용을 사용하였다. 이온의 스핀들은 두 개의 자외선 레이저빔을 이용하여 얽혔으며 연속적인 마이크로파 및 레이저 빔을 통해서 주위 환경에 원하지 않은 양자 상태를 누출하도록 유도되었다.

간단하게 설명하면 그것은 이른바 광펌핑(optical pumping)과 유사하다. 두 큐비트(qubit)는 네 개의 다른 상태가 될 수 있으며 그 중의 한 개는 우리가 원하는 얽힌 상태라고 Sørensen은 설명하였다. 만약에 그것들이 원하지 않는 다른 세 개 중의 하나라면, 레이저는 그것들을 여기상태로 올려놓고 이 상태로부터 다시 아래로 붕괴된다. 이런 여기는 모든 큐비트가 원하는 상태로 모두 될 때까지 계속 된다. 이 상태에서 주의 깊게 선택된 상호작용과 공명 조건은 상태에서 벗어난 여기를 억제할 수 있다.

연구진은 13밀리초 이후에, 스핀들이 아직도 매우 얽혀 있다는 것을 발견하였다. 연구진이 이해하지 못하는 작은 누출이 있다는 것을 발견하였다. 연구진은 얽힘의 수명이 84 밀리초에 가깝다고 추정하였다. 이것은 실험에서 어떤 다른 시간 스케일과 비교해도 매우 긴 시간이다. 큐비트가 수 밀리초 안에 목표 상태에 도달하였으며 정확한 시간의 75% 동안 정확한 얽힌 상태에 있다는 것이 발견되었다. 여기 기술을 약 30번 반복적으로 적용함으로써, 연구진은 별도의 실험에서 89%에 달하는 성공률을 얻었다.

Sørensen에 따르면, 그들 연구진은 의도적으로 시스템이 양자 계산을 가능하게 하는 더 많은 원자들을 포함한 크기가 조정될 수 있는 시스템을 디자인하였다. 이들 연구진은 현재 실험을 통해서 주위 환경과 상호작용하도록 허용되는 시스템이 실제 실험에 유리한지를 알아보고 있다. Sørensen은 소멸 프로세스는 더 일반적으로 사용되는 양자 게이트보다 약간 더 느리다고 말하였다. 양자 게이트는 작은 개수의 큐비트에 작동하는 양자 회로의 기본적인 구성 요소이다. 그는 새로운 소명 상태 준비의 장점 중 하나는 연구자들이 소멸 방법이 게이트에 비해서 장점이 있는지를 알아볼 수 있게 해주는 것이라고 말하였다. 우리가 사용하는 견고한 시스템에 대해서는 게이트로 더 잘할 수 있지만, 광공동 또는 소멸이 실제로 도움이 되는 변동하는 레이저와 같은 경우에는 다른 방법이 더 좋을 수도 있을 것이라고 그는 말하였다.

예일 대학의 Shyam Shankar와 동료 연구진은 소멸을 이용하여 얽힘을 얻고자 하였다. 그들의 큐비트는 소멸 저장소로서 역할을 하는 마이크로파 공동과 함께 사용된 초전도 회로이다. 예일 대학 연구진은 측정 기반 피드백 시스템이 보통 얽힘을 제작하는데 사용된다고 말하였다. 그것은 먼저 매우 충실도가 높은 큐비트 시스템의 상태를 측정하고, 그 다음 실시간 전자기술을 이용하여 시스템이 원하는 상태에 있는지 그렇지 아니한지를 결정한다. 만약에 그렇지 않다면, 컨트롤 드라이브가 시스템에 인가되어 그것을 원하는 상태로 다시 되돌려 놓을 것이다. 대신에, 연구진은 자율적인 피드백 방법을 사용하였다. 이 방법은 결맞음을 유지하기 위한 측정 프로세스를 필요로 하지 않는다. 연구진은 특별히 제작된 큐비트와 소멸 저장소 사이의 커플링과 결합된 6개의 연속적인 드라이브를 인가하였다.. 연구진은 이런 드라이브의 존재하에서 그들의 시스템을 제작하였으며, 효과적으로 구동된 시스템의 기저 상태는 얽힌 상태였다.

얽힘의 충실도(fidelity)는 피드백 비율과 오류 비율의 비에 의해서 결정된다. 현재, 연구진의 얽힌 상태는 최고 500마이크로초에 대해서67%의 평균 충실도를 유지하였다. 이런 시간은 본질적으로 무한대이다. 연구진은 그들이 원한다면 더 오랜 시간 동안 데이터를 얻을 수 있다고 말하였다. 그들이 안정적으로 만든 얽힌 상태는 물론 더 복잡한 다중 큐비트 얽힌 상태를 만들기 위한 기본적인 구성 요소이다. 이런 복잡한 다중 큐비트 얽힌 상태는 양자 정보 처리를 위해 필요하다고 Shankar는 말하였다. 이 방법은 앞으로 개발될 완전히 오류 보정된 논리적 큐비트를 가능하게 해 줄 것이라고 그는 덧붙였다.

Shankar는 소멸을 이용한 그들의 자율적인 방법은 이런 외부 피드백 고리를 제거시키고 따라서 더 간단히 시행될 수 있다고 말하였다. 그는 또한 외부 고리의 잠복에 대해서 걱정하지 않아도 된다고 덧붙였다. 실제로, 시스템의 고유 소멸은 어떤 외부 고리가 할 수 있는 것보다 더 빨리 오류를 수정할 수 있다. 그러나 연구진은 또한 그와 같은 자율적인 피드백 방법은 사용된 특정한 시스템과 안정화시키려는 특정한 상태에 맞추어져야 하며, 따라서 일반적인 종류의 프로토콜을 만드는 것은 어렵게 된다고 지적하였다.

Shankar의 연구팀은 두 가지 방법의 가장 좋은 점들을 얻기 위해서 외부 측정 기반 피드백 고리와 자율적인 방법을 결합시킬 계획이다. 유연한 자율적인 피드백의 간단함과 신속한 반응과 측정 기반 피드백의 안정성의 장점을 얻고자 하는 것이다. 반면에 연구진은 그들의 방법을 다중 입자 얽힘으로 확장하여 그들이 얼마나 많은 큐비트를 잘 얽히게 할 수 있는지를 알아볼 계획이다. Sørensen 및 Shankar의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다.

첨부그림 1: 이것은 양자 컴퓨팅이 어떻게 잃어버린 정보로부터 혜택을 받을 수 있는지를 보여주는 NIST 실험 개념을 묘사한 개략도이다. 정보를 저장하기 위해서 양자비트 또는 큐비로써 사용된 두 개의 베릴륨 이온(적색)은 얽혀 그들의 특성이 연결된다. 이것은 양자 컴퓨팅에 유용한 특징이다. 두 개의 파트너 마그네슘 이온(녹색)이 주위에 열을 방출한다. 큐비트에서 원하지 않는 정보는 발산하는 열과 결합되어 원하는 얽힌 상태에서 떠난다.

첨부그림 2: 이 이미지는 실험에서 사용된 이온 트랩을 보여준다. 전기적 포텐셜이 칩 상에 있는 얇은 금 와이어를 통해서 인가되며 좁은 슬롯 안에 이온을 포획하는 데 사용된다.              
 
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