양자정보처리를 위해 소리를 조작한다

소리는 고전적이고 거시적인 세계의 일부이기 때문에 우리는 일반적으로 소리를 양자 현상으로 생각하지 않습니다. 그러나 가능한 가장 조용한 소리 중 일부의 경우 양자역학이 시작됩니다. 이제 시카고 대학의 프리츠커 분자 공학 대학과 미국 아르곤 국립 연구소의 연구팀은 소리를 사용하여 본질적으로 두 가지 소리를 생성할 수 있는 방법을 보여주었습니다. 양자 효과: 중첩과 간섭. 결과적으로, 소리 기반 기술은 곧 양자 컴퓨터를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

전자기파가 입자와 같은 광자로 양자화되는 것처럼 음파도 입자와 같은 포논으로 양자화될 수 있습니다. 그러나 기본 입자인 광자와는 달리 포논은 많은 수의 원자나 분자가 관련된 집단 여기입니다. 그럼에도 불구하고 이러한 집단적 여기는 양자역학의 법칙을 따릅니다. 이제 시카고의 Andrew Cleland와 동료들은 포논의 양자 특성이 잠재적으로 복잡한 계산 작업을 수행하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

“포논은 천문학적인 수의 원자의 집단적 움직임을 나타냅니다.”라고 Cleland는 말합니다. “그리고 양자역학을 따르기 위해서는 모두가 함께 일해야 합니다. 마음속에 이런 질문이 있었는데, 이게 정말 효과가 있을까? 우리는 그것을 시도했고 정말 놀랍지만 실제로는 효과가 있습니다.”

팀은 니오브산 리튬 칩 표면에 전파되는 파장 패킷으로 단일 포논을 만들었습니다. 포논은 별도의 칩에 위치한 두 개의 초전도 큐비트를 사용하여 생성 및 감지되었으며 공기를 통해 니오브산 리튬 칩에 결합되었습니다. 두 개의 초전도 큐비트는 칩 중 하나에 위치하며, 그 사이에는 이동하는 포논을 호스팅하는 2mm 길이의 채널이 있습니다.

포논 경로 중간에 팀은 포논 빔을 두 개의 서로 다른 방향으로 이동하는 두 개의 빔으로 분할하는 장치인 빔 스플리터를 만들었습니다. 포논의 양자 특성으로 인해 빔 스플리터는 한 경로를 취하는 포논과 다른 경로를 취하는 포논의 양자 중첩에 포논을 넣을 수 있습니다. 연구원들은 빔 스플리터를 통해 두 "반쪽"을 다시 보내고 간섭 패턴을 관찰함으로써 그러한 중첩을 생성하는 능력을 입증했습니다.

다음으로, 그들은 광자 양자 컴퓨팅 아키텍처의 핵심인 "홍-오-만델 효과"를 재현하는 데 관심을 돌렸습니다. 일반적으로 여기에는 두 개의 광자를 반대 방향에서 빔 분할기로 보내는 작업이 포함됩니다. 양자 간섭은 두 광자가 항상 빔 스플리터에서 동일한 방향으로 나온다는 것을 나타냅니다. 시카고 그룹은 포논을 사용하여 이 효과를 입증할 수 있었습니다.

양자 컴퓨터는 현재 갇힌 이온, 초전도 회로 및 광자를 포함한 여러 가지 유형의 큐비트를 사용하여 개발되고 있습니다. 이온 및 초전도체와 달리 광자는 서로 상호 작용하지 않습니다. 두 개의 광선은 영향을 받지 않고 서로 통과할 수 있습니다. 이는 광자를 사용하여 2큐비트 작업을 수행하기 어렵다는 것을 의미합니다. 대신, 광자 플랫폼은 고도로 얽힌 광자의 대규모 클러스터를 생성하고 이러한 광자 중 일부에 대한 고전적인 측정을 사용하여 계산을 수행합니다.

광자와 유사하기 때문에 포논은 광자와 동일한 유형의 양자 정보 처리가 가능할 것으로 예상되며 Cleland와 동료들은 이것이 가능해야 함을 보여주었습니다. 그러나 포논은 몇 가지 주요 측면에서 광자와 다릅니다. 포논 큐비트는 극저온 냉각이 필요하며 손실률이 훨씬 더 높습니다. 그럼에도 불구하고 이 플랫폼은 기존의 광자 구현이 제공하지 못하는 중요한 이점을 제공합니다. 포논 상태는 완전 양자 방식으로 초전도 큐비트에 의해 감지되어 모든 중첩 및 얽힘 정보를 보존합니다. 연구원들은 이것이 미래 양자 기술 개발에 유용할 것으로 기대하고 있습니다.

Cleland는 "우리는 작은 시스템에서 광학 스타일 양자 컴퓨팅을 수행할 수 있는 시스템을 구축하고 이를 표준 게이트 기반 양자 컴퓨터와 직접 통합할 수 있다는 것을 알리려고 노력하고 있습니다"라고 말했습니다. Cleland는 이러한 직접적인 통합이 광자로 이루어질 수 없기 때문에 이것이 중요하다고 설명합니다.