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이론적 연구는 모듈형 양자 정보 처리를 발전시키는 데 유망합니다

URI 주도 연구는 모듈형 양자 정보 처리 발전에 대한 희망을 제공합니다.

로드아일랜드 대학교 사이드밴드를 통한 두 개의 매개변수 구동 양자점 스핀 큐비트의 공동 매개 결합을 위한 시스템의 개략적 그림. 출처: PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020339 August 15, 2024

양자 컴퓨터의 작동은 전자와 광자와 같은 양자 시스템의 두 가지 상태로 정의되는 양자 비트 형태로 정보를 인코딩하고 처리하는 데 의존합니다. 고전적 컴퓨터에서 사용되는 이진 비트와 달리 양자 비트는 0과 1의 조합으로 동시에 존재할 수 있습니다. 원칙적으로 오늘날 가장 큰 슈퍼컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 특정 계산을 수행할 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 잠재력을 최대한 발휘하려면 수백만 개의 양자 비트 또는 큐비트가 필요합니다. 하지만 양자 정보 처리 시스템이 여러 큐비트로 확장되면서 문제가 발생합니다. 몇 개의 큐비트를 제어하려면 매우 복잡한 전자 장치가 필요하며, 그 복잡한 회로를 확장하는 것은 큰 장애물입니다.

최근 이론적 연구에서 로드아일랜드 대학교의 바니타 스리니바사가 이끄는 물리학자 팀은 장거리에 걸쳐 큐비트를 연결하여 양자 연산을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 유연한 방식으로 양자 프로세서를 확장하기 위한 모듈식 시스템 을 구상했습니다.

연결된 큐비트 간에 이러한 상관관계 또는 "얽힘" 연산을 수행하는 능력은 현재 컴퓨터와 비교하여 양자 컴퓨팅이 보유한 향상된 전력의 기반입니다. 메릴랜드 대학과 국립표준기술원의 스리니바사, 제이콥 M. 테일러, 캘리포니아 대학 로스앤젤레스의 제이슨 R. 페타가 공동 집필한 연구에 대한 새로운 논문이 최근 저널 PRX Quantum에 게재되었습니다. "양자 컴퓨터의 각 큐비트는 특정 주파수 에서 작동합니다 .

-양자 컴퓨터에만 있는 기능을 실현하려면 각 큐비트를 개별 주파수를 통해 제어하고, 주파수를 일치시켜 큐비트 쌍을 연결할 수 있어야 합니다." URI의 양자 정보 과학 프로그램 책임자이자 물리학 조교수인 스리니바사가 말했습니다. "양자 프로세서가 더 많은 수의 큐비트로 확장됨에 따라, 모든 큐비트에 대해 이 두 가지 작업을 동시에 수행하는 것은 매우 어려운 일이 됩니다.

저희 연구에서는 진동 전압을 적용하여 모든 큐비트의 원래 주파수를 일치시키지 않고도 여러 큐비트를 연결하기 위해 각 큐비트에 대해 추가 주파수를 효과적으로 생성하는 방법을 설명합니다. 이를 통해 큐비트를 연결하면서 동시에 각 큐비트가 개별 제어를 위해 고유한 주파수를 유지할 수 있습니다." 반도체를 사용하여 양자 프로세서를 구축하는 것은 원칙적으로 큐비트를 대량으로 확장하는 데 매우 유망합니다.

오늘날 존재하는 첨단 반도체 기술은 수십억 개의 작은 트랜지스터가 있는 칩을 제조하는 기반을 형성하며, 크기가 작은 큐비트를 만드는 데 활용할 수 있다고 Srinivasa는 말했습니다. 또한 전자와 스핀이라고 알려진 다른 반도체 입자의 내부 속성에 큐비트를 저장하면 모든 양자 컴퓨팅 플랫폼에 내재된 양자 정보 손실로부터 향상된 보호 기능을 제공합니다. 그러나 단순히 더 많은 스핀 큐비트와 관련 제어 회로를 단일 큐비트 배열에 추가하여 양자 프로세서를 확장하는 것은 실제로 매우 어렵습니다.

Srinivasa와 그녀의 동료들의 이론적 작업은 주파수를 일치시키는 유연성을 가지고 장거리에 걸쳐 스핀 큐비트를 얽히는 여러 가지 방법을 보여주는 단계별 가이드를 제공하여 이 문제를 해결합니다. 그 결과, 유연성이 향상되어 반도체 기반 모듈형 양자 정보 처리 로 가는 길이 열리고 , 현재 제작 가능한 소형 큐비트 배열(모듈)을 사용하여 다중 큐비트 시스템을 구축하고 이를 견고하고 장거리 얽힘 링크로 연결하는 대체 접근 방식이 제공됩니다.

"이러한 확장 접근 방식은 개별 모듈과 같은 고정된 크기의 레고 블록을 사용하여 더 큰 시스템을 구축하고 외부 영향으로 인해 링크가 끊어지기 전까지 블록 간 연결을 유지할 만큼 충분히 강한 더 긴 조각을 사용하여 이를 연결하는 것과 같습니다."라고 스리니바사가 말했습니다. "큐비트 간에 빠르고 안정적인 장거리 링크가 가능하다면, 이러한 모듈식 접근 방식은 확장을 허용하면서 스핀 큐비트 제어 회로에 더 많은 공간을 제공합니다." 완전 모듈식 반도체 기반 양자 프로세서는 아직 시연되지 않았습니다. 큐비트에는 여러 유형이 있고, 큐비트가 상호 작용하는 방식도 다양하지만, 연구자들은 초전도 공동에서 마이크로파 광자를 통해 상호 작용하는 양자점 기반 스핀 큐비트를 연구하기로 했습니다.

-양자점은 전자와 큐비트를 정의하는 데 사용되는 다른 입자를 반도체 내의 작은 공간에 가두고 전압을 인가하여 개별적으로 제어하기 위해 만들어진 원자와 같은 구조입니다. 마찬가지로 초전도 공동은 광자를 가두는 제조 구조이지만 양자점 보다 훨씬 크며 크기는 마이크로파의 파장에 따라 설정됩니다. 최근 실험에서는 마이크로파 공동 광자를 사용하여 양자점 스핀 큐비트 간의 장거리 링크를 입증했습니다. (실리콘에서 두 개의 스핀 큐비트에 대한 첫 번째 시연은 공동 저자인 제이슨 페타의 실험 연구 그룹에서 달성했습니다.)

그러나 모든 큐비트와 광자 주파수를 조정하여 정확히 일치하고 에너지를 교환할 수 있도록 하는 것(공명이라는 조건)은 링크를 설정하는 데 2큐비트 수준에서도 문제가 되었다고 논문은 말합니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 모든 원래 큐비트와 공동 주파수 간의 동시 공명에 의존하지 않는 마이크로파 광자를 사용하여 큐비트를 연결하는 매우 조정 가능한 접근 방식을 제시합니다.

-연구진은 논문에서 양자 컴퓨터에만 있는 기능을 실현하려면 각 큐비트를 개별 주파수를 통해 제어하고, 주파수를 일치시켜 큐비트 쌍을 연결할 수 있어야 합니다."고 스리니바사는 말했다. "주어진 자물쇠에 맞는 여러 개의 열쇠와 같습니다." 각 스핀 큐비트에 진동 전압을 적용하여 양자점에서 스핀을 앞뒤로 움직이면 추가 주파수를 생성할 수 있습니다. 이 앞뒤 움직임이 충분히 빠르면 원래 큐비트 주파수보다 주파수가 높고 낮은 두 개의 사이드밴드 주파수가 각 큐비트에 대해 특성 주파수 외에도 생성됩니다. 사이드밴드 주파수를 추가하면 각 큐비트를 마이크로파 공동 광자와 공명시키는 세 가지 방법이 나오고, 결과적으로 두 큐비트를 연결할 수 있는 9가지 조건이 나옵니다. 공명 조건에서의 이러한 유연성은 큐비트를 시스템에 추가하는 것을 훨씬 더 쉽게 만들 것입니다.

왜냐하면 큐비트가 모두 동일한 주파수로 조정될 필요가 없기 때문입니다. 더욱이, 두 큐비트를 연결하는 9가지 방법을 통해, 양자점이나 공동 광자의 구조를 수정하지 않고도 진동 전압을 적절히 설정하기만 하면 여러 가지 유형의 얽힘 작업을 선택할 수 있습니다. 얽힘 링크 유형의 다양성은 계산을 수행하는 데 사용할 수 있는 확장된 기본 양자 연산 세트를 가능하게 합니다. 마지막으로, 연구자들은 제안된 얽힘 방법이 이전 접근 방식보다 공동에서 광자가 누출되는 것에 덜 민감하여 스핀 큐비트 간에 더 견고한 장거리 링크를 허용한다는 것을 보여줍니다.

"주파수 일치의 유연성, 큐비트 간 양자 얽힘 연산 유형을 조정하는 다양성, 공동 광자 누출에 대한 감소된 민감도의 결합으로 인해 제안된 사이드밴드 주파수 기반 접근 방식은 반도체 큐비트를 사용하는 모듈형 양자 프로세서를 실현하는 데 유망합니다."라고 Srinivasa는 말했습니다.

"저는 다음 단계에 대해 기대가 큽니다. 이 단계는 이러한 아이디어를 실험실의 실제 양자 장치에 적용하고 이 접근 방식을 실제로 작동시키기 위해 무엇을 해야 하는지 알아내는 것입니다."

추가 정보: V. Srinivasa et al, Cavity-Mediated Entanglement of Parametrically Driven Spin Qubits via Sidebands, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020339 저널 정보: PRX Quantum 로드아일랜드 대학교 에서 제공

https://phys.org/news/2024-08-theoretical-advancing-modular-quantum.html

메모 2408160455

양자 컴퓨터에만 있는 기능을 실현하려면 각 큐비트를 개별 주파수를 통해 제어하고, 주파수를 일치시켜 큐비트 쌍을 연결할 수 있어야 한다.

그 특정 주파수를 msoss로 정의할 수 있다. 그러면 가 큐비트는 고유한 배열값을 가지며 다양한 규비트와 얽힘 연산이 가능해진다. 허허.

양자 컴퓨터에만 있는 기능을 실현하려면 각 큐비트를 개별 주파수를 통해 제어하고, 주파수를 일치시켜 큐비트 쌍을 연결할 수 있어야 한다.

주어진 자물쇠에 맞는 여러 개의 열쇠와 같다.

xyz 각 스핀 큐비트에 진동 전압을 적용하여 양자점에서 스핀을 앞뒤로 움직이면 추가 주파수를 생성할 수 있다. 이 앞뒤 움직임이 충분히 빠르면 원래 큐비트 주파수보다 주파수가 높고 낮은 두 개의 사이드밴드 주파수가 각 큐비트에 대해 특성 주파수 외에도 생성된다.

사이드밴드 주파수를 추가하면 큐비트 msoss.msbase 영역 확장이 이뤄진다. 고유 주파수를 확장하는 효과가 나타난다.

각 큐비트를 마이크로파 공동 광자와 공명시키는 x1y1z,x x2y2z'세 가지씩 사이드 확장이 나오고, 이는 결과적으로 두 큐비트를 연결할 수 있는 9가지 조건이 나온다. 공명 조건에서의 이러한 유연성은 큐비트를 시스템에 추가하는 것을 훨씬 더 쉽게 만드는 묘수이다. 허허.

No photo description available.

Note 2408160455

To realize the capabilities unique to quantum computers, each qubit must be controlled by its own frequency, and pairs of qubits must be linked by matching their frequencies.

That specific frequency can be defined as msoss. Then, the qubits have unique configuration values, and entanglement operations with various qubits are possible. Heh heh.

To realize the functions that exist only in quantum computers, each qubit must be controlled by its own frequency, and pairs of qubits must be able to be connected by matching their frequencies.

It's like multiple keys that fit a given lock.

If you apply an oscillating voltage to each spin qubit xyz, you can create additional frequencies by moving the spin back and forth in the quantum dot. If this back and forth movement is fast enough, two sideband frequencies, higher and lower than the original qubit frequency, are created for each qubit in addition to its characteristic frequency.

Adding sideband frequencies creates an extension of the qubit msoss.msbase area. It has the effect of expanding the characteristic frequency.

There are three side extensions x1y1z,x x2y2z' that resonate each qubit with the microwave cavity photon, which results in nine conditions that can connect two qubits. This flexibility in the resonance conditions is a trick that makes it much easier to add qubits to the system. Heh heh.

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0

Sample msoss
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca