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양자 컴퓨팅에서 주요한 진전을 이루어낸 물리학자 팀은 하버드-MIT 초저온 원자 센터와 다른 대학에서 특별한 유형의 양자 컴퓨터를 개발하였다. 이 시스템은 프로그래머블 양자 시뮬레이터라고 불리며, 256개의 양자 비트, 즉 “큐비트”로 작동할 수 있다. 큐비트는 양자 컴퓨터의 작동에 필수적이며, 처리 능력의 원천이다.
새로운 개발은 대규모 양자 기계를 달성하는 데 우리를 더 가까이 가져옵니다. 이는 복잡한 양자 프로세스에 대한 깊은 통찰력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 재료 과학, 통신 기술, 금융 및 현재 연구에서 장벽에 직면한 다른 분야에서重大한 영향을 미칠 수 있습니다.
이 연구는 7월 9일 Nature에 발표되었다.
분야를 앞으로 밀어붙이다
Mikhail Lukin은 물리학의 George Vasmer Leverett 교수이자 하버드 양자 이니셔티브의 공동 디렉터이다. 그는 또한 연구의 선임 저자이다.
“이것은 지금까지 아무도 가지 못한 새로운 영역으로 필드를 이동시킵니다.”라고 Lukin은 말했다. “우리는 완전히 새로운 양자 세계의 일부로 들어가고 있습니다.”
Sepehr Ebadi는 예술과 과학 대학원에서 물리학 학생이며 연구의 주요 저자이다.
Ebadi에 따르면, 시스템의 가장 큰 특징은 크기와 프로그래머블성으로, 이는 최고의 시스템 중 하나로 만든다. 이는 매우 작은 규모에서 물질의 특성을 활용하여 처리 능력을 향상시킬 수 있다. 큐비트의 증가로 시스템은 기존 컴퓨터에서 사용하는 클래식 비트보다 기하급수적으로 더 많은 정보를 저장하고 처리할 수 있다.
“256개의 큐비트로 가능한 양자 상태의 수는 태양계의 원자 수를 초과한다”고 Ebadi는 말했다.
시뮬레이터는 연구자들이 이질적인 양자 물질 상태를 관찰하고 양자 상전이 연구를 수행할 수 있게 하였으며, 이는 매우 정밀하여 양자 수준에서 자気が 어떻게 작동하는지 보여주었다.
연구자에 따르면, 이러한 실험은 과학자들이 이질적인 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 방법을 배우는 데 도움이 될 수 있다.
새로운 시스템
이 프로젝트는 2017년에 연구자들이 개발한 플랫폼에 의존하지만, 이번에는 크게 업그레이드되었다. 이전에는 51개의 큐비트 크기에 도달할 수 있었으며, 연구자들은 일차원적인 개별 레이저 빔 배열을 통해 초저온 루비듐 원자를 포획하고 특정 순서로 배열할 수 있었다.
이 시스템은 원자를 2차원적인 광학 핀셋의 배열로 조립할 수 있게 하며, 이는 레이저 빔의 이름이다. 이를 통해 달성 가능한 시스템 크기는 51에서 256개의 큐비트로 증가한다. 연구자들은 затем 핀셋을 사용하여 원자를 결점 없는 패턴으로 배열하고 프로그래머블한 모양을 만들 수 있으며, 이는 큐비트 사이의 다른 상호작용을 가능하게 한다.
“이 새로운 플랫폼의 일꾼은 공간 광도 조절기라고 하는 장치로, 개별적으로 초점을 맞춘 수백 개의 광학 핀셋 빔을 생성하기 위해 광파 전면을 형성하는 데 사용된다”고 Ebadi는 말했다. “이러한 장치는 본질적으로 컴퓨터 프로젝터 내부에서 화면에 이미지를 표시하는 데 사용되는 것과 동일하지만, 우리는 이를 양자 시뮬레이터의 중요한 구성 요소로 적응시켰다.”
원자는 처음에 광학 핀셋에 무작위로 로드된 다음 연구자들이 원자를 이동시키고 목표 지오메트리에 맞게 배열한다. 원子的 위치를 제어하고 그들의 일관된 양자 조작을 제어하기 위해 두 번째 세트의 이동 가능한 광학 핀셋을 사용한다. 레이저는 연구자들이 원子の 위치와 그들의 일관된 양자 조작을 완전히 제어할 수 있게 한다.
Tout Wang은 하버드의 물리학 연구원이며 논문의 저자 중 한 명이다.
“우리의 연구는 더 큰 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 글로벌 경쟁의 일부입니다.”라고 Wang은 말했다. “전체적인 노력은 최고의 학술 연구 기관과 Google, IBM, Amazon 등 주요 사설 투자가 포함되어 있습니다.”
팀은 현재 큐비트에 대한 레이저 제어를 개선하고 시스템을 더 프로그래머블하게 만듦으로써 시스템을 개선하기 위해 작업하고 있다. 연구자에 따르면, 가능한 응용 분야에는 이질적인 양자 물질의 형태를 탐색하고 실제 문제를 해결하는 것이 포함되며, 이는 자연스럽게 큐비트에 인코딩할 수 있다.
“이 연구는 수많은 새로운 과학적 방향을 가능하게 합니다.”라고 Ebadi는 말했다. “우리는 이러한 시스템이 할 수 있는 것의 한계에 근접하지도 못하고 있습니다.”
