양자컴퓨터 시리즈52) 중국, ‘사이언스’지 등재: 초저온원자 양자컴퓨팅과 시뮬레이션 연구에서 중대한 진전 — 중국청년보(中国青年报) 제공

판지엔웨이(潘建伟)의 소개에 따르면, 양자 역학의 기본 원리에 기초하여 양자 컴퓨팅과 시뮬레이션은 포스트 무어 시대의 고속 정보 처리를 촉진하는 혁신적인 기술로 간주되며, 고온 초전도 메커니즘 시뮬레이션, 암호 해킹 등 중대한 과학 및 기술 문제를 해결할 것으로 기대된다고 한다. 양자 얽힘은 양자 컴퓨팅의 핵심 자원이며, 양자 컴퓨팅의 능력은 얽힌 비트 수의 증가에 따라 기하급수적 증가를 보인다. 

따라서 대규모 얽힘 상태의 제조, 측량, 조종과 관련된 것이 이 연구 영역의 핵심 문제다. 판지엔웨이(潘建伟)는 대규모 얽힌 상태를 달성하는 통상적인 과정은 먼저 대량의 얽힌 입자 쌍을 동시 준비한 다음 양자 논리 게이트 연산을 통해 그 연결이 다중 입자 얽힘을 형성하도록 만드는 것이라고 말했다. 따라서, 고품질의 얽힌 입자쌍의 동시 제조는 대규모 얽힌 상태를 실현하기 위한 첫번째 조건이다.

10여 년 동안 광자, 포획된 이온, 중성 원자 등의 시스템에서 정보 처리를 위해 여러 큐비트를 정보처리할 수 있는 가능성을 보여주는 많은 국제 실험이 있었다. 그러나 판지엔웨이(潘建伟)의 견해에 따르면, 이전 작업은 얽힌 쌍의 품질과 양자 논리 게이트의 조작 정확도에 의해 제한되었으며, 현재 사람들이 준비할 수 있는 최대 얽힌 상태 거리로 실용화된 양자 컴퓨팅과 시뮬레이션에 필요한 얽힌 비트 수 충실도에는 여전히 큰 차이가 있다.

과학 연구팀의 소개에 따르면 큐비트를 실현하는 많은 물리적 시스템 중에서 광학 격자 초냉각 원자 비트와 초전도 비트는 우수한 확장성과 고정밀 양자 통제를 구비하며, 규모화된 양자 얽힘 시스템을 실현할 가능성이 가장 높다.
2010 년부터 중국 과학 기술 연구원 연구팀은 독일의 하이델베르크 대학교와 협력하여 초저온 원자 광학 격자를 기반으로 확장할 수 있는 양자정보처리를 전개하는 공동 연구를 진행했다. 이전 연구에서 연구팀은 Rb-87 초저온 원자를 사용하여 600여 쌍의 충실도 79 % 인 초저온원자 얽힘 상태를 만들었다. 이 시스템을 사용하여 특수한 고리 교환 상호 작용을 조절하여 4 체 얽힘 상태를 생성했고 망형태 양자 컴퓨팅의 임의자 여기 모델을 시뮬레이션했다.
이 연구에서 연구팀은 먼저 엇갈린 격자 구조를 사용하여 단열 상태의 냉원자를 초유체 상태의 냉원자에 담그는 새로운 냉동 메커니즘을 제안했다. 절연상태와 초유체상태 사이의 고효율의 원자와 엔트로피의 교환은 시스템의 열을 주로 초유체 저에너지 여기 형태로 저장한 다음, 정밀한 제어 수단으로 초유체 상태를 제거하여 낮은 엔트로피로 완벽하게 채워진 격자를 얻는다.

판지엔웨이(潘建伟)는 이 실험이 하나의 냉각제조 과정을 실현하여 냉각 후 시스템의 엔트로피를 65 배 낮추었으며, 기록적으로 낮은 엔트로피에 도달하여, 격자의 원자 충전률을 99.9 % 이상으로 높였다고 말했다. 이를 바탕으로 과학 연구팀은 2원자 비트 고속 얽힘 게이트를 개발하고 얽힘 충실도가 99.3 %인 1250 쌍의 얽힘 원자를 획득했다.
잡지의 원고 심사원들은 이 연구에 대해 다음과 같이 평가했다. "새로운 격자 양자 가스 냉각 기술의 개발은 새로운 물리적 상태를 연구하고 양자 정보 처리의 요구를 충족시키는 학계의 중요한 목표다. 이 점을 감안하여 엔트로피를 크게 줄인 것은 획기적인 일이다. "

연구팀은 이 작업의 새로운 냉각 기술이 초냉각 페르미온 시스템을 심도있게 냉각시키는데 도움을 줘서, 시스템이 고온 초전도의 물리적 메커니즘 극저온구역을 시뮬레이션할 수 있게 한다고 주장했다. 이 연구 성과는 양자 컴퓨팅과 시뮬레이션의 개발을 크게 촉진할 것이다. 이 연구는 과학 기술부, 중국 국가 자연과학 기금위원회, 중국 과학원, 교육부, 안휘성 등의 지원을 받았다.