양자 컴퓨터가 계산을 수행하는 속도를 결정하는 요인은 무엇입니까? University of Bonn과 Technion-Israel Institute of Technology의 물리학자들은 이 질문에 답하기 위해 우아한 실험을 고안했습니다. 연구 결과는 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 게재됐다.
양자 컴퓨터는 정보를 처리하기 위해 양자 역학의 원리에 의존하는 매우 복잡한 기계입니다. 이를 통해 기존 컴퓨터에서는 완전히 해결할 수 없는 미래의 특정 문제를 해결할 수 있습니다.
그러나 양자 컴퓨터의 경우에도 주어진 시간에 처리할 수 있는 데이터의 양에는 근본적인 한계가 있습니다.
양자 게이트에는 최소한의 시간이 필요합니다.
일반 컴퓨터에 저장된 정보는 1과 0의 긴 시퀀스, 즉 비트로 생각할 수 있습니다.
양자 역학에서는 모든 것이 다릅니다. 정보는 일련의 이산 값이 아니라 파동과 유사한 양자 비트(큐비트)에 저장됩니다. 물리학자들은 큐비트에 포함된 정보를 정확하게 표현하고자 할 때 파동 함수에 대해서도 이야기합니다.
전통적인 컴퓨터에서 정보는 게이트로 알려진 것에 의해 상호 연결됩니다. 여러 게이트를 결합하면 2비트 추가와 같은 기본 계산을 수행할 수 있습니다.
정보는 양자 컴퓨터에서 매우 유사한 방식으로 처리되며, 양자 게이트는 특정 규칙에 따라 파동 함수를 변경합니다.
양자 게이트는 다른 면에서 전통적인 사촌과 유사합니다. "양자 세계에서도 게이트는 무한히 빠르게 작동하지 않습니다."라고 본 대학교 응용 물리학 연구소의 안드레아 알베르티 박사는 설명합니다. "파동 함수와 여기에 포함된 정보를 변환하는 데 최소한의 시간이 필요합니다."
70여 년 전 소련의 물리학자 Leonid Mandelstam과 Igor Tamm은 이론적으로 파동 함수의 최소 변환 시간을 도출했습니다. University of Bonn과 Technion의 물리학자들은 복잡한 양자 시스템에 대한 실험을 사용하여 이 Mandelstam-Tamm 한계를 최초로 조사했습니다.
이를 위해 그들은 엄격하게 통제된 방식으로 움직이는 세슘 원자를 사용했습니다. 실험 연구를 주도한 Andrea Alberti는 "실험에서 우리는 개별 원자가 빛이 담긴 그릇에 있는 공처럼 굴러 내려가 움직이는 것을 지켜봅니다."라고 설명합니다.
원자는 양자역학적으로 물질의 파동으로 설명할 수 있습니다. 빛 그릇의 바닥으로 이동함에 따라 양자 정보가 변경됩니다. 연구원들은 이 "변형"이 가능한 한 빨리 감지될 수 있는 방법을 알고 싶었습니다. 그러면 그러한 시간은 만델스탐-탐 극한의 실험적 증거가 될 것입니다.
그러나 문제는 양자 세계에서 원자의 위치를 측정할 때마다 불가피하게 물질파가 예측할 수 없는 방식으로 변경된다는 점입니다. 따라서 아무리 빨리 측정을 해도 항상 변형된 것처럼 보입니다. Andrea Alberti는 "따라서 우리는 기준선과의 편차를 감지하는 다른 방법을 개발했습니다."라고 말합니다.
이를 위해 연구원들은 물질파의 클론, 즉 거의 정확한 복제본을 만드는 것으로 시작했습니다.
연구의 저자인 Gal Ness는 "우리는 빠른 광 펄스를 사용하여 원자의 두 가지 상태의 양자 중첩이라고 불리는 것을 생성했습니다. "비유적으로 말하면 원자는 마치 동시에 두 가지 다른 색을 가진 것처럼 행동합니다."
색상에 따라 각 원자 쌍은 가벼운 그릇에서 고유한 위치를 차지합니다. 하나는 가장자리에서 높고 거기에서 "아래로 굴러갑니다". 반면에 다른 하나는 이미 그릇 바닥에 있습니다. 이 쌍둥이는 움직이지 않으므로 파동 기능을 변경하지 않습니다.
물리학자들은 정기적으로 두 클론을 비교했습니다. 그들은 파동의 차이를 매우 정확하게 감지할 수 있는 양자 간섭이라는 기술을 사용하여 이 작업을 수행했습니다. 이를 통해 재료 파동의 상당한 변형이 처음 발생한 시간을 결정할 수 있었습니다.
실험 초기에 용기 바닥 위의 높이를 변경함으로써 물리학자들은 원자의 평균 에너지를 제어할 수도 있었습니다. 원칙적으로 정확한 금액을 결정하는 것은 불가능하기 때문에 평균입니다. 결과적으로 원자의 "위치 에너지"는 항상 무한합니다.
과학자들은 "물질파동이 변화하는 최소 시간이 이 에너지적 불확실성에 달려 있음을 입증할 수 있었다"며 "불확실성이 클수록 만델스탐-탐 시간은 더 짧아진다"고 말했다.
이것이 바로 두 소련 물리학자가 예측한 것입니다. 그러나 두 번째 효과도 있었습니다. 에너지 불확실성이 평균 원자 에너지를 초과할 때까지 점점 더 증가하면 최소 시간은 더 이상 감소하지 않습니다. 이는 Mandelstam-Tamm 한계가 실제로 가정한 것과 반대입니다.
이로써 물리학자들은 약 20년 전에 이론적으로 발견된 두 번째 제한 속도를 증명했습니다. 따라서 양자 세계의 속도 제한은 에너지의 불확실성뿐만 아니라 평균 에너지에 의해 결정됩니다.
2021-12-25 23:29:20
작가: Vitalii Babkin