하나의 깨진 대칭이 보편적 양자 제어로 가는 길을 열다

인사이더 브리프

• 연구진은 전역적으로 구동되는 양자 시스템에서 범용 제어 이론을 개발하고, 리드베리 원자 실험에서 효과적인 3원자 상호작용을 입증했습니다.
• 균일한 최근접 이웃 상호작용과 전역 회전을 갖는 1차원 큐비트 체인의 경우, 거울 대칭을 깨는 제어 가능한 장이나 상호작용을 추가하면 범용 양자 제어가 가능해집니다.
• 최적화된 전역 펄스는 8개 원자 체인에서 3원자 ZXZ 상호작용을 생성했으며, 측정 결과 위상학적 에지 모드의 징후가 나타났습니다.

보도 자료 — 새로운 이론이 전역적으로 구동되는 양자 시스템이 완전히 제어 가능해지기 위해 필요한 요소를 규명했습니다. 리드베리 원자 실험에서 최적화된 펄스는 동시에 세 개의 원자가 관여하는 상호작용을 생성하기도 했습니다.

Hong-Ye Hu와 동료들의 연구는 Nature Physics에 게재될 예정입니다. 링크된 원고는 저자들의 사전 인쇄본입니다.

많은 양자 시뮬레이터는 모든 원자에 동시에 작용하는 소수의 레이저 장을 사용합니다. 이러한 공유 제어는 대규모 시스템을 더 쉽게 작동하게 할 수 있지만, 근본적인 질문을 던집니다. 전역적으로 제어되는 장치가 전체 범위의 양자 연산을 수행할 수 있을까요, 아니면 하드웨어에 내장된 상호작용으로 제한될까요?

1차원 큐비트 체인에 대해 연구진은 정확한 규칙을 증명했습니다. 인접한 큐비트 간의 균일한 상호작용과 전역 회전이 있는 경우, 남은 장애물은 거울 대칭입니다. 즉, 체인의 반대편에 있는 원자들을 구별할 수 없다는 점입니다. 그 대칭을 깨는 제어 가능한 상호작용이나 장을 추가하면 범용 양자 제어가 가능해집니다. 연구팀은 또한 관련 결과를 페르미온 및 보손 시스템으로 확장했습니다.

이론을 실험실에 바로 적용 가능한 방법으로 전환하기 위해, 연구팀은 레이저의 실제적 한계와 원자 운동을 고려하면서 펄스 시퀀스를 탐색하는 직접 양자 최적 제어를 개발했습니다. 리드베리 원자 배열에서 최적화된 전역 펄스는 효과적인 ZXZ 상호작용의 역학을 생성했습니다. 이는 장치 고유의 쌍 상호작용을 넘어 세 개의 인접한 원자가 공유하는 하나의 결합입니다. 이 목표는 또한 강한 상호작용이 일반적으로 인근 흥분을 억제하여 제어를 쉽게 만드는 일반적인 리드베리 차단 영역 밖에서의 작업을 필요로 했습니다.

8개 원자 체인에서, 측정 결과 체인의 나머지 부분이 진화하는 동안 끝에 있는 원자들이 독특한 신호와 상관관계를 유지하는 것으로 나타났습니다. 이는 위상학적 에지 모드의 특징입니다. 논문의 수치적 결과는 또한 무작위 전역 펄스가 양자 정보를 빠르게 퍼뜨릴 수 있으며, 원자 수에 따라 대수적으로만 증가하는 시간 척도 내에서 특징적인 측정 통계가 나타남을 시사합니다.

이러한 결과들을 종합하면 수학적 해답과 실제적인 제어 방법을 연결해 줍니다. 즉, 전역 장은 하드웨어 자체의 내장된 상호작용만으로 시사하는 것보다 훨씬 더 풍부한 양자 역학을 지원할 수 있습니다.