과학자들이 양자 프로세서에서 위상적으로 정렬된 시간 결정을 달성했다.
Nature Communications에 게재된 연구에서 연구자들은 처음으로 양자 프로세서에서 위상적으로 정렬된 시간 결정을 성공적으로 구현했다. 이는 양자 기술에서 중요한 이정표로, 시간 결정을 위상적 질서와 결합하는 과제를 극복했다. 이는 보다 안정적이고 견고한 양자 컴퓨팅 시스템을 만드는 데 있어 중요한 단계다.
시간 결정: 양자 도약
노벨상 수상자 프랭크 윌체크(Frank Wilczek)가 2012년에 처음 제안한 시간 결정(time crystal)은 지속적인 외부 에너지원없이 상태 사이를 진동하는 새로운 물질상이다. 원자가 공간에서 주기적으로 배열되는 일반 결정과 달리 시간 결정은 시간에 따라 주기성을 보인다. 즉, 기저 상태라고 알려진 가장 낮은 에너지 상태를 유지하면서 상태 사이를 진화시킬 수 있다. 2017년에 실험적으로 확인되었지만, 시간 결정을 위상적 질서와 통합하는 것은 동적 특성으로 인해 오랜 과제였다.
위상적 질서와 안정성
위상적 질서(topological order)는 양자 시스템이 지역적 교란에 저항할 수 있게 하는 전역적 속성으로, 오류 허용 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요한 특징이다. 중국 저장 대학과 칭화 대학 과학자들이 이끄는 연구팀은 위상적 질서와 시간 결정을 통합하여 보다 안정적인 양자 시스템을 만드는 것을 목표로 했다.
연구자 량샹 박사는 “이를 달성하는 데는 이론과 실험의 협업이 핵심”이라고 말했다. 위상적으로 정렬된 시간 결정을 만드는 데 성공하면서 보다 탄력적인 양자 컴퓨팅 플랫폼으로의 문이 열렸다.
시간 결정(time-crystal)은 시간-이동 대칭을 깨고 에너지 소산이 필요 없는 방식으로 상태 간에 진동한다. 이러한 자체 지속 진동을 통해 기본 상태에서도 운동을 유지할 수 있어 비평형 물질의 독특한 형태가 된다. 시스템의 주기적 운동은 시스템의 동작을 동기화하는 집단적, 다체 상호 작용에 의해 구동되어 에너지를 잃지 않고 무한정 작동할 수 있다.
위상적 질서는 장거리 양자 얽힘에서 발생하여 국소적 노이즈와 교란에 강하다. 이 속성은 환경적 간섭이 양자 상태를 방해할 수 있는 양자 컴퓨팅에 특히 중요하다. 본질적으로 동적이고 비평형인 결정에서 시간적 위상적 질서를 달성하는 것은 큰 과제였다. 이를 해결하기 위해 팀은 2차원 정사각형 격자에 배열된 18개의 프로그래밍 가능한(Programmable) 초전도 큐비트(superconducting qubits)를 사용하여 양자 프로세서를 설계했다. 이는 오류 수정 및 양자 알고리즘에 필요한 얽힘을 생성하는 데 이상적이다.
양자 오류 수정 및 회로 효율성
700개의 회로 레이어에 걸쳐 2,300개 이상의 단일 큐비트 게이트와 1,400개의 2큐비트 게이트를 실행할 수 있는 팀의 양자 프로세서는 인상적인 계산 능력을 보여주었다. 프로세서는 또한 4체 큐비트 상호 작용을 포함한 복잡한 시스템을 시뮬레이션하고 신경 진화 알고리즘을 사용하여 회로 성능을 최적화했다. 이러한 발전은 양자 계산의 효율성을 개선하는 데 중요하다.
실험 결과에 따르면 시간 결정은 노이즈가 많은 환경에서도 안정적인 진동을 유지하여 견고함을 입증했다. 시스템의 위상적 얽힘은 이론적 예측과 일치하여 속성이 안정적이고 잘 정의되어 있음을 시사한다. 연구원들은 또한 시간 주기 양자 상태의 생성을 성공적으로 측정하고 검증하여 위상적으로 정렬된 시간 결정의 존재를 더욱 뒷받침했다.
시스템 크기, 제어 정확도 및 결맞음 시간이 지속적으로 개선됨에 따라 팀은 초전도 양자 프로세서가 물질의 훨씬 더 이국적인 비평형 위상을 탐색할 수 있게 할 것이라고 믿는다.
연구팀은 이번 연구가 플로케-풍부한 위상적 질서를 구현하기 위한 빌딩 블록을 보여주며, 잠재적으로 동적 애니온과 비아벨 애니온(non-Abelian anyon)과 같은 현상을 잠금 해제한다고 논문에서 설명했다. 이러한 현상을 관찰하는 것은 비평형 양자 시스템을 이해하고 양자 컴퓨팅을 발전시키는 데 있어 중요한 진전을 의미한다.
시간 결정(time-crystal)은 시간-이동 대칭을 깨고 에너지 소산이 필요 없는 방식으로 상태 간에 진동한다. 이러한 자체 지속 진동을 통해 기본 상태에서도 운동을 유지할 수 있어 비평형 물질의 독특한 형태가 된다. 시스템의 주기적 운동은 시스템의 동작을 동기화하는 집단적, 다체 상호 작용에 의해 구동되어 에너지를 잃지 않고 무한정 작동할 수 있다.
위상적 질서는 장거리 양자 얽힘에서 발생하여 국소적 노이즈와 교란에 강하다. 이 속성은 환경적 간섭이 양자 상태를 방해할 수 있는 양자 컴퓨팅에 특히 중요하다. 본질적으로 동적이고 비평형인 결정에서 시간적 위상적 질서를 달성하는 것은 큰 과제였다. 이를 해결하기 위해 팀은 2차원 정사각형 격자에 배열된 18개의 프로그래밍 가능한(Programmable) 초전도 큐비트(superconducting qubits)를 사용하여 양자 프로세서를 설계했다. 이는 오류 수정 및 양자 알고리즘에 필요한 얽힘을 생성하는 데 이상적이다.
양자 오류 수정 및 회로 효율성
700개의 회로 레이어에 걸쳐 2,300개 이상의 단일 큐비트 게이트와 1,400개의 2큐비트 게이트를 실행할 수 있는 팀의 양자 프로세서는 인상적인 계산 능력을 보여주었다. 프로세서는 또한 4체 큐비트 상호 작용을 포함한 복잡한 시스템을 시뮬레이션하고 신경 진화 알고리즘을 사용하여 회로 성능을 최적화했다. 이러한 발전은 양자 계산의 효율성을 개선하는 데 중요하다.
실험 결과에 따르면 시간 결정은 노이즈가 많은 환경에서도 안정적인 진동을 유지하여 견고함을 입증했다. 시스템의 위상적 얽힘은 이론적 예측과 일치하여 속성이 안정적이고 잘 정의되어 있음을 시사한다. 연구원들은 또한 시간 주기 양자 상태의 생성을 성공적으로 측정하고 검증하여 위상적으로 정렬된 시간 결정의 존재를 더욱 뒷받침했다.
시스템 크기, 제어 정확도 및 결맞음 시간이 지속적으로 개선됨에 따라 팀은 초전도 양자 프로세서가 물질의 훨씬 더 이국적인 비평형 위상을 탐색할 수 있게 할 것이라고 믿는다.
연구팀은 이번 연구가 플로케-풍부한 위상적 질서를 구현하기 위한 빌딩 블록을 보여주며, 잠재적으로 동적 애니온과 비아벨 애니온(non-Abelian anyon)과 같은 현상을 잠금 해제한다고 논문에서 설명했다. 이러한 현상을 관찰하는 것은 비평형 양자 시스템을 이해하고 양자 컴퓨팅을 발전시키는 데 있어 중요한 진전을 의미한다.
