물리학자들은 오랫동안 추구해 온 토폴로지 양자 상태를 생성합니다.

[이매진]

물리학자들은 오랫동안 추구해 온 토폴로지 양자 상태를 생성합니다.

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01574-0

물리학자들은 오랫동안 추구해 온 토폴로지 양자 상태를 생성합니다.

노나벨리온(nonabelion)이라고 불리는 이국적인 입자는 양자 컴퓨터의 오류 문제를 해결할 수 있습니다.

• 다비데 카스텔베키

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이탈리아 피렌체의 한 교회에 묘사된 보로미안 반지. 세 개의 링 중 하나가 제거되면 다른 두 개는 더 이상 결합되지 않습니다. 크레딧: Raphael Salzedo/Alamy

이탈리아 귀족 보로메오 가문의 문장에는 불안한 상징이 포함되어 있습니다. 분리할 수 없지만 연결된 쌍을 포함하지 않는 세 개의 맞물린 고리 배열입니다.

동일한 3방향 연결은 양자 물리학에서 가장 탐나는 현상 중 하나의 명백한 서명이며 이제 처음으로 관찰되었습니다. 연구원들은 양자 컴퓨터를 사용하여 가상 입자를 생성하고 경로가 Borromean-ring 패턴을 형성하도록 이동했습니다.

환영합니다! 물리학자들은 오랫동안 추구해 온 2D 구조에 대한 최고의 증거를 찾았습니다.

이국적인 입자는 non-Abelian anyons 또는 줄여서 nonabelion이라고 불리며 Borromean 고리는 양자 컴퓨터 내부의 정보로만 존재합니다. 그러나 그들의 연결 속성은 양자 컴퓨터가 오류를 덜 일으키거나 '내결함성'을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 양자 컴퓨터가 기존 최고의 컴퓨터보다 성능이 뛰어나도록 만드는 핵심 단계입니다. 5월 1일 사전 인쇄에서 공개된 결과는 콜로라도주 브룸필드에 있는 양자 컴퓨팅 회사인 Quantinuum의 기계에서 얻은 것으로, Honeywell의 양자 컴퓨팅 유닛 과 신생 기업 간의 합병으로 설립되었습니다. 영국 케임브리지에 본사를 두고 있습니다.

Quantinuum의 사장 겸 COO인 Tony Uttley는 "이것은 내결함성 양자 컴퓨팅으로 가는 신뢰할 수 있는 경로입니다."라고 말합니다.

다른 연구자들은 양자 컴퓨팅을 혁신할 수 있는 가상 비나벨리온의 잠재력에 대해 덜 낙관적이지만, 가상 비나벨리온을 만드는 것은 그 자체로 성취로 여겨집니다. 영국 옥스퍼드 대학의 이론물리학자인 스티븐 사이먼(Steven Simon)은 “이러한 유형의 물리적 시스템에는 엄청난 수학적 아름다움이 있으며 오랜 시간이 지난 후에 처음으로 실현되는 것을 보는 것은 놀라운 일입니다.

바구니 짜기 도넛

실험에서 독일 뮌헨에 있는 Quantinuum 사무실의 물리학자 Henrik Dreyer와 그의 동료들은 회사의 가장 진보된 기계인 H2를 사용했습니다. . 각 이온은 일반 비트처럼 '0' 또는 '1'일 수 있는 양자 계산 단위인 큐비트를 인코딩할 수 있지만 동시에 두 상태의 중첩도 가능합니다.

Quantinuum의 접근 방식은 장점이 있습니다. 대부분의 다른 유형의 큐비트와 비교할 때 트랩의 이온을 이동하고 서로 상호 작용할 수 있으며, 이것이 양자 컴퓨터가 계산을 수행하는 방식입니다.

대체 기술이 힘을 얻음에 따라 양자 컴퓨터 경쟁이 심화됩니다.

물리학자들은 이 유연성을 이용하여 32개의 모든 이온이 동일한 양자 상태를 공유하는 비정상적으로 복잡한 형태의 양자 얽힘을 생성했습니다. 그리고 이러한 상호 작용을 엔지니어링하여 도넛 모양을 형성하기 위해 접힌 6개 별이 반복적으로 겹치는 것과 유사한 일본 바구니 직조에 사용되는 패턴인 kagome의 구조와 얽힌 가상 격자를 만들었습니다. 얽힌 상태는 가상 2D 우주의 가장 낮은 에너지 상태를 나타냅니다. 본질적으로 입자가 전혀 없는 상태입니다. 그러나 추가 조작을 통해 카고메를 흥분 상태로 만들 수 있습니다. 이는 비나벨리온의 특성을 가져야 하는 입자의 모양에 해당합니다.

들뜬 상태가 비나벨리언임을 증명하기 위해 팀은 일련의 테스트를 수행했습니다. 가장 결정적인 것은 여기 상태를 이동하여 가상 Borromean 고리를 만드는 것으로 구성되었습니다. 패턴의 출현은 작동 중 및 작동 후 이온 상태를 측정하여 확인했다고 Dreyer는 말합니다.

매사추세츠 주 케임브리지에 있는 하버드 대학의 이론 물리학자이자 논문의 공동 저자인 Ashvin Vishwanath는 "두 개의 입자가 서로 맴돌지 않지만 모두 함께 연결되어 있습니다."라고 말했습니다. "그것은 우리가 다른 설정에서 매우 명확하게 깨닫지 못하는 놀라운 물질 상태입니다."

인디애나 주 웨스트 라파예트에 있는 퍼듀 대학의 실험 물리학자인 마이클 맨프라는 비록 그 결과가 인상적이긴 하지만 퀀티늄 기계가 진정으로 비나벨리온을 생성하지는 않고 단지 그들의 속성 중 일부를 시뮬레이션할 뿐이라고 말합니다. 그러나 저자들은 입자의 거동이 정의를 충족하며 실용적인 목적을 위해 여전히 양자 컴퓨팅의 기반을 형성할 수 있다고 말합니다.

양자 혈통

보로메오 가족과 마찬가지로 노나벨리온은 여러 노벨상 과 필즈 메달을 수상한 업적을 포함하여 물리학과 수학 모두에서 스토리가 있는 계보와 함께 제공됩니다 . 노나벨리온은 2D 우주 또는 물질이 2D 표면에 갇힌 상황(예: 두 개의 고체 물질의 경계면)에만 존재할 수 있는 입자인 Anyon의 한 유형입니다.

물리학을 재구성하는 이상한 토폴로지

Anyons는 모든 입자가 페르미온 또는 보존의 두 범주 중 하나에 속한다는 물리학 자의 가장 소중한 가정 중 하나를 무시합니다. 두 개의 동일한 페르미온이 위치를 바꾸면 파동함수라고 하는 양자 상태가 180도 뒤집힙니다(Hilbert 공간이라는 수학적 공간에서). 그러나 보손이 바뀌면 파동함수는 변하지 않는다.

반면에 두 개의 anyons가 전환되면 이 두 옵션 중 어느 것도 적용되지 않습니다. 대신 표준 'Abelian' anyons의 경우 파동함수는 fermions의 180도와 다른 특정 각도만큼 이동합니다. 아벨이 아닌 사람은 양자 상태를 더 복잡한 방식으로 변경하여 응답합니다. 이는 아벨이 아닌 양자 계산을 수행할 수 있어야 하기 때문에 중요합니다. 즉, 계산이 다른 순서로 수행되면 다른 결과가 생성됩니다.

토폴로지 견고성

Nonabelions는 또한 양자 컴퓨팅을 수행하는 대부분의 다른 방법보다 이점을 제공할 수 있습니다. 일반적으로 개별 큐비트의 정보는 빠르게 저하되는 경향이 있어 유용한 양자 컴퓨팅으로의 진행을 제한하는 오류를 생성합니다. 물리학자들은 잠재적으로 수천 개에 이르는 많은 원자의 집합적 양자 상태에서 큐비트를 인코딩해야 하는 다양한 오류 수정 체계를 개발했습니다.

그러나 nonabelion은 서로 순환할 때 추적하는 경로가 오류에 강해야 하므로 해당 작업을 훨씬 쉽게 만들어야 합니다. 자기 교란과 같은 섭동은 토폴로지라고 하는 연결의 질적 특성을 변경하지 않고 경로를 약간 이동할 수 있습니다.

약자 기술이 양자 컴퓨팅 경쟁에서 기반을 다지다

노나벨리온의 개념과 '위상학적 큐비트'로서의 잠재력은 20년 전에 현재 패서디나에 있는 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)에 있는 이론 물리학자 알렉세이 키타예프(Alexei Kitaev)에 의해 처음 제안되었습니다 2 . Manfra를 비롯한 물리학자들은 자연적으로 비나벨리온을 포함하고 따라서 위상 큐비트의 플랫폼 역할을 할 수 있는 물질 상태를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. Microsoft는 위상 큐비트를 양자 컴퓨터 개발에 선호하는 접근 방식으로 만들었습니다.

Vishwanath는 Quantinuum 기계의 비나벨리온이 중요한 초기 단계라고 말합니다. "그 게임에 들어가려면 위상 양자 컴퓨터의 경쟁자가 되기 위해 취해야 할 첫 번째 단계는 그러한 상태를 만드는 것입니다."라고 그는 말합니다.

사이먼은 가상 비나벨리온 접근 방식이 양자 계산에 유용할 수 있지만 다른 오류 수정 체계(일부는 위상학적으로 영감을 받기도 함)보다 더 효율적인지 여부는 두고 봐야 한다고 말했습니다. Manfra와 Microsoft가 함께 작업하고 있는 물리적 anyons는 기본적으로 토폴로지적으로 견고할 것입니다. Dreyer는 현재로서는 그의 팀의 비나벨론이 얼마나 효율적일지는 아직 불분명하다고 말합니다.

도이: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01574-0