양자 시뮬레이터를 신뢰할 수 있습니까?

[아름이]

양자 시뮬레이터를 신뢰할 수 있습니까?
새로운 기술은 원자 규모 시스템의 이상한 동작을 조사하는 실험의 정확성을 확인하는 데 도움이 됩니다.
날짜:
2023년 1월 18일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
물리학자들은 양자 실험의 정확성을 검증하기 위한 프로토콜을 개발했습니다.

개별 원자의 규모에서 물리학은 이상해집니다. 연구원들은 양자 아날로그 시뮬레이터를 사용하여 이러한 이상한 양자 효과를 밝히고, 활용하고, 제어하기 위해 노력하고 있습니다. 실험실 실험은 수십에서 수백 개의 원자를 과냉각하고 미세하게 조정된 레이저와 자석으로 이를 조사하는 것을 포함합니다.

과학자들은 양자 시뮬레이터에서 얻은 새로운 이해가 새로운 이국적인 재료, 더 스마트하고 효율적인 전자 장치 및 실용적인 양자 컴퓨터를 설계하기 위한 청사진을 제공하기를 희망합니다. 그러나 양자 시뮬레이터에서 통찰력을 얻으려면 과학자들은 먼저 양자 시뮬레이터를 신뢰해야 합니다.

즉, 양자 장치가 "높은 충실도"를 갖고 양자 동작을 정확하게 반영하는지 확인해야 합니다. 예를 들어, 원자 시스템이 외부 노이즈의 영향을 쉽게 받는 경우 연구원은 아무 것도 없는 양자 효과를 가정할 수 있습니다. 그러나 지금까지 양자 아날로그 시뮬레이터의 충실도를 특성화하는 신뢰할 수 있는 방법이 없었습니다.

Nature 에 게재된 연구 에서 MIT와 Caltech의 물리학자들은 새로운 양자 현상을 보고합니다. 그들은 원자의 양자 요동에 특정 무작위성이 있고 이 무작위 동작이 보편적이고 예측 가능한 패턴을 나타낸다는 것을 발견했습니다. 무작위적이고 예측 가능한 행동은 모순처럼 들릴 수 있습니다. 그러나 팀은 특정 무작위 변동이 실제로 예측 가능한 통계 패턴을 따를 수 있음을 확인했습니다.

또한 연구원들은 이 양자 무작위성을 양자 아날로그 시뮬레이터의 충실도를 특성화하는 도구로 사용했습니다. 그들은 이론과 실험을 통해 무작위 변동을 분석하여 양자 시뮬레이터의 정확도를 결정할 수 있음을 보여주었습니다.

팀은 양자 변동 패턴을 기반으로 충실도를 측정하기 위해 기존 양자 아날로그 시뮬레이터에 적용할 수 있는 새로운 벤치마킹 프로토콜을 개발했습니다. 이 프로토콜은 새로운 이국적인 재료 및 양자 컴퓨팅 시스템의 개발 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이 작업은 매우 높은 정밀도로 기존의 많은 양자 장치를 특성화할 수 있게 해줄 것입니다. "또한 그것은 우리가 이전에 생각했던 것보다 혼돈 양자 시스템의 무작위성 뒤에 더 깊은 이론적 구조가 있음을 시사합니다."

이 연구의 저자에는 MIT 대학원생 Daniel Mark와 Caltech, University of Illinois at Urbana-Champaign, Harvard University, University of California at Berkeley의 협력자들이 포함됩니다.

무작위 진화

이 새로운 연구는 2019년 Google이 기존 컴퓨터보다 특정 계산을 더 빠르게 수행할 수 있는 "Sycamore"라는 디지털 양자 컴퓨터를 구축한 발전에 동기를 부여했습니다.

기존 컴퓨터의 컴퓨팅 단위는 0 또는 1로 존재하는 "비트"인 반면, "큐비트"로 알려진 양자 컴퓨터의 단위는 여러 상태의 중첩으로 존재할 수 있습니다. 여러 큐비트가 상호 작용할 때 이론적으로 기존 컴퓨터보다 훨씬 짧은 시간에 어려운 문제를 해결하는 특수 알고리즘을 실행할 수 있습니다.

Google 연구원은 53큐비트로 작동하도록 초전도 루프 시스템을 설계했으며 "컴퓨터"가 일반적으로 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 해결하기에는 너무 까다로운 특정 계산을 수행할 수 있음을 보여주었습니다.

Google은 또한 시스템의 충실도를 정량화할 수 있음을 보여주었습니다. 개별 큐비트의 상태를 무작위로 변경하고 모든 53개 큐비트의 결과 상태를 양자 역학의 원리가 예측하는 것과 비교하여 시스템의 정확도를 측정할 수 있었습니다.

Choi와 그의 동료들은 양자 아날로그 시뮬레이터의 충실도를 측정하기 위해 유사한 무작위 접근 방식을 사용할 수 있는지 궁금해했습니다. 그러나 그들이 해결해야 할 한 가지 장애물이 있었습니다. Google의 디지털 양자 시스템과 달리 아날로그 시뮬레이터의 개별 원자 및 기타 큐비트는 조작하기가 매우 어렵기 때문에 무작위로 제어할 수 있다는 것입니다.

그러나 이론적 모델링을 통해 최 교수는 구글 시스템에서 큐비트를 개별적으로 조작하는 집단적 효과가 단순히 큐비트가 자연스럽게 진화하도록 놔둠으로써 아날로그 양자 시뮬레이터에서 재현될 수 있음을 깨달았다.

"우리는 이 임의의 동작을 설계할 필요가 없다는 것을 알아냈습니다."라고 Choi는 말합니다. "미세 조정 없이 우리는 양자 시뮬레이터의 자연스러운 역학이 진화하도록 할 수 있으며 결과는 혼돈으로 인해 유사한 무작위 패턴으로 이어질 것입니다."

신뢰 구축

매우 단순화된 예로서 5큐비트 시스템을 상상해 보십시오. 각 큐비트는 측정이 이루어질 때까지 0 또는 1로 동시에 존재할 수 있으며, 큐비트는 하나 또는 다른 상태로 안정됩니다. 하나의 측정으로 큐비트는 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 등 32가지 조합 중 하나를 취할 수 있습니다.

"이러한 32가지 구성은 사람들이 통계 물리학의 예측과 유사해야 한다고 믿는 특정 확률 분포로 발생합니다."라고 Choi는 설명합니다. "우리는 그들이 평균적으로 동의한다는 것을 보여주지만 우리가 알지 못하는 보편적인 임의성을 나타내는 편차와 변동이 있습니다. 그리고 그 임의성은 마치 Google이 수행한 임의 작업을 실행하는 것과 동일하게 보입니다."

연구원들은 양자 시뮬레이터의 역학 및 보편적 무작위 변동을 정확하게 나타내는 수치 시뮬레이션을 개발할 수 있다면 예상 결과를 시뮬레이터의 실제 결과와 비교할 수 있을 것이라는 가설을 세웠습니다. 둘이 가까울수록 양자 시뮬레이터가 더 정확해야 합니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해 Choi는 25개의 원자로 구성된 양자 아날로그 시뮬레이터를 설계한 Caltech의 실험가들과 협력했습니다. 물리학자들은 실험에서 레이저를 비추어 원자를 집합적으로 여기시킨 다음 큐비트가 자연스럽게 상호 작용하고 시간이 지남에 따라 진화하도록 했습니다. 그들은 여러 번의 실행에 걸쳐 각 큐비트의 상태를 측정하여 총 10,000개의 측정값을 수집했습니다.

Choi와 동료들은 또한 실험의 양자 역학을 나타내는 수치 모델을 개발하고 발생해야 하는 보편적인 무작위 변동을 예측하기 위해 유도한 방정식을 통합했습니다. 그런 다음 연구원들은 실험 측정을 모델의 예측 결과와 비교하고 매우 근접한 일치를 관찰했습니다. 이 특정 시뮬레이터는 순수한 양자 역학적 동작을 반영하는 것으로 신뢰할 수 있다는 강력한 증거입니다.

보다 광범위하게 결과는 거의 모든 기존 양자 아날로그 시뮬레이터를 특성화하는 새로운 방법을 보여줍니다.

"양자 장치를 특성화하는 능력은 점점 더 크고 정확하며 복잡한 양자 시스템을 구축하기 위한 매우 기본적인 기술 도구를 형성합니다."라고 Choi는 말합니다. "우리 도구를 사용하면 사람들이 신뢰할 수 있는 시스템으로 작업하고 있는지 알 수 있습니다."

이 연구는 부분적으로 미국 국립과학재단, 국방고등연구계획국, 육군연구실, 에너지부에서 자금을 지원받았다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/