중성 원자로 계산을 수행하려면 중성 원자 큐비트의 실현, 제어, 조작, 측정이 필요합니다. 몇 가지 세부 사항을 살펴보겠습니다.
원자는 자연의 완벽한 큐비트입니다. 원자는 모두 서로 동일하며 동시에 양자 정보를 저장하고 처리할 수 있습니다. 이러한 균일성 덕분에 불완전성이 있을 수 있는 제조된 큐비트보다 우위를 점할 수 있습니다.
원자는 핵과 전자 구름으로 구성됩니다. QuEra에서는 루비듐 원자를 사용합니다. 원자의 양전하와 음전하가 서로 균형을 이루면 자연에서 발견되는 대부분의 원자와 마찬가지로 원자는 중성이라고 합니다. 원자에 레이저를 비추면 원자의 에너지를 증가시키고 여기시킬 수 있습니다. 각 원자는 각각 다른 에너지 준위에 있는 다양한 잠재적 여기 상태를 가지고 있습니다. 이는 양자 정보를 저장하고 처리하기 위한 훌륭한 플랫폼을 제공합니다. 이러한 두 가지 레벨 중 하나를 선택해 '0'과 '1'이라는 이름을 붙여 큐비트를 구성할 수 있습니다.
저희는 광학 핀셋 역할을 하는 레이저를 사용하여 개별 원자를 제자리에 가둡니다. 레이저는 원자의 움직임을 억제하여 원자를 거의 절대 영하의 온도까지 효과적으로 냉각시킵니다. 이 온도에서는 원자의 개별적인 에너지 레벨을 분해하고 조작할 수 있으며, 일부 원자는 1초를 초과하는 엄청난 일관성 시간을 이끌어냅니다.
리드버그 원자는 온디맨드 방식으로 상호작용합니다. 원자가 여기되지 않으면 시스템의 총 큐비트 수에 관계없이 오류에 대한 복원력을 갖습니다. 이는 컴퓨터의 연산 능력을 크게 향상시킵니다.
원자가 리드버그 상태라고 하는 고에너지 상태로 여기되면 전자 구름이 원래 크기의 약 천 배에 달하는 비교적 거대한 규모로 부풀어 오릅니다. 이 리드버그 상태에서는 서로 다른 원자들이 장거리에 걸쳐 상호 작용할 수 있어 양자 정보가 서로 간에 전송될 수 있습니다. 이를 통해 양자 정보 조작의 핵심 요소 중 하나인 얽힘이 가능해집니다.
리드버그 원자 사이의 상호작용 메커니즘은 '반 데르 발스' 상호작용으로 알려져 있는데, 이는 팽창된 원자의 강한 쌍극자 모멘트에서 비롯됩니다. 이 상호작용은 원자 간 거리의 6승에 따라 감소하는데, 이는 원자가 가까이 있을 때만 강렬하게 상호작용한다는 것을 의미합니다. 실제로 이 상호작용은 매우 강력해져 인접한 두 원자가 동시에 여기될 수 없는 '리드버그 봉쇄' 효과를 유도할 수 있습니다. 이 메커니즘을 통해 조건부 양자 로직과 2큐비트 게이트를 구현할 수 있습니다.
장거리 리드버그 상호 작용을 사용하면 다중 큐비트 게이트의 게이트 분해 오버헤드를 줄일 수 있습니다. 이를 통해 오류를 최소화하고 처리 속도를 높일 수 있습니다.
놀랍게도 리드버그 원자의 크기는 근처에 있는 여러 큐비트를 포함할 수 있어 상호 상호작용이 가능합니다. 1큐비트와 2큐비트 게이트만 구현할 수 있는 대부분의 양자 컴퓨터와 달리, 리드버그 차단 메커니즘은 네이티브 멀티큐비트 게이트의 개발을 용이하게 합니다.
토폴리 게이트(왼쪽 이미지 참조)와 같은 게이트는 수많은 양자 알고리즘에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 다중 큐비트 게이트를 기본적으로 인코딩하면 알고리즘의 회로 깊이를 크게 줄일 수 있으므로 오류를 크게 완화할 수 있습니다. 대표적인 예로 쇼 알고리즘의 상수 심도 구현이 있습니다.
중성 원자 양자 컴퓨터의 원자와 제어 시스템은 방 한 칸에 쉽게 들어갈 수 있습니다. 설치 공간이 작기 때문에 극저온 냉각 없이도 중성 원자 컴퓨터를 실험실이나 데이터 센터에 쉽게 구축할 수 있습니다.
수만 개의 레이저 포획 원자를 1제곱밀리미터보다 작은 면적에 집어넣을 수 있는 초소형 규모에서 이 모든 일이 이루어집니다. 또한 음향 광학 디플렉터를 사용하면 몇 개의 레이저로 여러 큐비트를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
큐비트의 유연한 배열은 재구성 가능한 레이아웃을 가능하게 합니다. 이를 알고리즘 설계에 활용하여 게이트 오버헤드를 제한함으로써 회로를 효율적으로 설계하고 개발 주기를 크게 단축할 수 있습니다. 다양한 구성이 필요한 새로운 애플리케이션을 하드웨어를 재조립하지 않고도 구현할 수 있습니다.
레이저는 공간을 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 중성 원자는 거의 모든 구성으로 배열할 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 각 문제의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 큐비트 연결을 조정하고 조정할 수 있습니다. 또한 하드웨어를 재조립할 필요 없이 새로운 애플리케이션에서 새로운 구성을 활용할 수 있기 때문에 개발 주기가 상당히 단축됩니다.
작은 크기와 효율적인 제어 메커니즘 덕분에 인터커넥트 없이도 큐비트 수를 크게 늘릴 수 있습니다. 제어 신호의 수가 큐비트 수보다 훨씬 적을 수 있기 때문에 높은 수준의 확장이 실용적입니다.
큐비트 인코딩을 위한 원자 레벨을 적절히 선택하면 계산 중에 원자를 일관성 있게 이동할 수도 있습니다. 이것이 중성 원자 기술의 핵심 이점입니다. 이는 효율적인 메모리 버스 서비스를 촉진하여 큐비트를 대규모로 포괄적으로 연결할 수 있게 해줍니다. 이는 게이트 선택과 오류 수정 코드에 대한 새로운 가능성을 제시하기 때문에 오류 수정에 특히 유리합니다. 예를 들어 주기적 경계 조건이 있는 키타예프의 패러다임적 토릭 코드를 하버드에서 독특하게 구현한 것이 있습니다. 또한 큐비트 셔틀링은 메모리와 프로세싱을 위한 구역화된 아키텍처를 가능하게 하여 큐비트 수에 대한 제어 라인의 비율을 더욱 향상시킵니다. 이러한 특징들을 종합하면, 중성 원자 양자 컴퓨터는 유용성과 확장성 측면에서 선호되는 아키텍처로 자리매김하고 있습니다.
큐비트 셔틀링의 의미에 대해 자세히 알아보기
코어 중립 원자 프로세서에는 디지털 양자 게이트, 오류 수정, 메모리 및 처리 영역 활성화 등 다양한 기능을 위한 모듈을 장착할 수 있습니다.
중성 원자는 각각 고유한 장점을 가진 디지털과 아날로그의 다양한 계산 모드를 고유하게 지원합니다. QuEra의 컴퓨터 사용자는 해결하고자 하는 특정 문제에 가장 적합한 모드를 선택할 수 있습니다.
디지털 게이트 기반 모드는 복잡한 연산을 한 번에 하나 또는 두 개의 큐비트에서 작동하는 몇 가지 기본 단계(게이트)로 분해합니다. 게이트는 두 개의 계산 상태 사이에서 큐비트를 이동합니다. 게이트 시퀀스는 전체 시스템의 계산 상태를 한 상태에서 다른 상태로 변경합니다. 측정 시 최종 상태는 비트 문자열이 되어 계산 결과를 캡처합니다.
게이트 기반 작동 모드는 소수의 기본 연산만으로 범용 기능과 프로그래밍 기능을 구현할 수 있는 우아한 레시피를 제공합니다.
아날로그 모드, 디지털 모드 또는 두 가지를 조합하여 작업할 수 있는 기능을 통해 사용자는 당면한 문제에 대한 고품질 솔루션에 도달할 수 있는 최적의 메커니즘을 선택할 수 있습니다.
물리적 수준에서 디지털 양자 연산은 시간에 따라 물리적 시스템을 변화시키는 힘을 설명하는 함수인 해밀턴으로 표현되는 연속적인 상태 전이입니다. 해밀턴을 충분히 잘 제어할 수 있다면 게이트 기반 모드를 우회하여 아날로그 계산 모드를 사용할 수 있습니다. 아날로그 모드는 게이트 기반 모드만큼 보편적이지는 않지만, 가능한 경우 알고리즘을 기본 단계로 분해하지 않고 바로 답을 얻을 수 있어 디지털 계산 모드에서 흔히 발생하는 많은 노이즈와 일관성 문제를 피할 수 있습니다.
오류에 대한 견고함과 효율적인 제어 메커니즘이 결합되어 256큐비트 머신을 조립할 수 있었습니다. 이 머신은 다양한 실제 문제에 대해 시뮬레이션이 불가능한 체제에 진입할 수 있을 만큼 강력하며, 기존 슈퍼컴퓨터의 성능을 능가합니다.
디지털 게이트 기반 모드에서는 각 단계에서 오류가 발생할 수 있으며, 계산이 진행되는 동안 누적될 수 있습니다. 반면, 아날로그 모드는 결함이 있는 게이트가 누적되지 않으므로 오류에 훨씬 덜 민감하므로 현재 양자 컴퓨팅 성숙 단계에 매우 적합합니다.
간소화된 제어 요구 사항과 결합된 아날로그 양자 모드는 훨씬 적은 수의 제어 신호로 더 많은 큐비트를 효율적으로 조작할 수 있습니다.
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