고전 컴퓨팅 분야에서 튜링 기계는 일반적으로 상태, 테이프, 읽기/쓰기 헤드를 통해 모든 고전 컴퓨터 알고리즘을 구현할 수 있는 추상적인 기계로 표현됩니다. 1950년대에 등장한 초기 컴퓨터들은 이러한 튜링 아키텍처를 구현한 거대한 메인프레임이었습니다.

그렇다면 양자 알고리즘은 어떨까요? 이를 구현하려면 무엇이 필요할까요? 과거의 메인프레임이 고전 컴퓨터에 비유되는 것처럼, 오늘날의 양자 제어 스택은 양자 컴퓨터에 비유될 수 있다는 것이 일반적인 견해입니다. 또한 메인프레임에서 소형화되고 확장 가능하며 효율적인 양자 컴퓨터로의 도약은 향후 5~10년 안에 이루어질 것이라는 예측도 널리 퍼져 있습니다.

이 메모는 양자 알고리즘 실행에 필요한 요건을 이해하기 위한 간략하고 쉬운 안내서입니다. 이 메모는 3 blue 1 brow의 Grover 알고리즘 영상에 대한 이전 메모에서 설명한 “유사” 알고리즘을 기반으로 합니다.

양자 알고리즘

양자 알고리즘 실행을 위한 요구 사항

위 그림에서 주목할 만한 몇 가지 사항이 있습니다.

  • 동기화: 여러 큐비트에 대한 “단일 큐비트 게이트”(사각형으로 표시됨)가 동시에 실행되는 것처럼 보이는 것은 잘못된 것입니다. 게이트가 다중 큐비트 게이트인 경우를 제외하고는 두 게이트를 동시에 실행해야 하는 요구 사항은 없습니다. 따라서 “제어 단계"라는 용어는 오해의 소지가 있으며, “제어 게이트 시퀀스"로 설명하는 것이 더 적절합니다.

  • 초기화 큐비트는 처음에 |0> 상태로 “리셋"됩니다. “리셋"이라는 단어에는 약간의 “마법"이 담겨 있는데, 이는 게이트로 설명하는 것이 더 적절합니다. 하지만 그러한 게이트가 존재하지 않기 때문에, 한 가지 가능한 구현 방법은 동일한 큐비트의 이전 판독값을 기반으로 하는 조건부 게이트를 사용하는 것입니다.

  • 큐비트 수명 큐비트는 시간이 지남에 따라 불안정한 것으로 알려져 있는데, 이를 디코히어런스(decoherence)라고 합니다. 따라서 “양자 알고리즘"은 큐비트 디코히어런스 시간보다 빠르게 실행되어야 합니다. 이 시간은 “큐비트 유형“에 따라 달라지는데, 이에 대해서는 다음 주에 다른 메모에서 자세히 다루겠습니다. 여기서는 “최대 양자 알고리즘 실행 시간"을 나타내는 시간 _t_가 있다고 가정해 보겠습니다.

  • 게이트 지속 시간 큐비트가 단일 큐비트인지 다중 큐비트인지, 그리고 큐비트 모드에 따라 게이트 지속 시간은 매우 짧을 수 있습니다. 초전도/스핀 큐비트(일명 “고속 모드”)의 경우 게이트 지속 시간은 수백 나노초 정도이며, 몇몇 연구소에서는 이 한계를 약 20나노초까지 낮추기 위해 연구를 진행하고 있습니다. 스핀-2 사양을 참조하십시오.

  • 중간 회로 측정 언뜻 보면 CNOT과 같은 다중 큐비트 게이트에는 모순이 있는 것처럼 보입니다. 즉, 관측 가능성 원칙을 위반하지 않고 큐비트 중첩 상태를 축소(또는 “축소”)하지 않으면서 한 게이트의 실행이 다른 게이트의 상태에 의존한다는 점입니다. 이 주제 자체만으로도 하나의 문서 주제가 될 수 있으므로, “작동하는 방법이 있다"고 가정하겠습니다. 그러나 어떤 경우에는 상태를 고전적인 부울 값으로 “축소"하고 판독값을 게이트의 입력으로 사용하는 것이 허용됩니다. 이를 중간 회로 측정이라고 하며 일반적으로 두 줄 화살표로 표시됩니다.

  • 양자 오류 수정 양자 오류 수정(QEC)은 위의 알고리즘에서 눈에 띄게 빠져 있습니다. 현재로서는 이것이 물리적 큐비트 수준에서 작동하는 알고리즘의 메타 장식인지, 논리적 큐비트에서 작동하는 양자 기계의 고유한 속성인지, 아니면 둘 다인지 확실하지 않습니다. 이 주제에 대한 생각을 정리하기 위해 메모를 작성해야겠습니다.

표준화된 시간: T1 및 T2 Link to heading

이 메모는 필수적인 두 가지 시점, 즉 _T1_과 _T2_를 소개하지 않고는 완전할 수 없습니다.

  • T1, 또는 _이완 시간_이라고도 하는 이 시간은 큐비트가 에너지를 잃고 들뜬 상태에서 바닥 상태로 떨어지는 데 걸리는 시간입니다. 다시 말해, “|1⟩에서 |0⟩으로 가는 시간"입니다.

  • T2, 또는 _위상 감쇠 시간_이라고도 하는 이 시간은 큐비트의 위상 정보가 보존되는 시간입니다. 다시 말해, 중첩 위상 또는 “마법의” 상태가 유효한 시간입니다.

T1이 큐비트의 에너지 손실을 나타낸다고 할 때, T2는 항상 T1보다 짧거나 같아야 합니다. 그렇다면 T2에서 T1 사이의 시간 동안에는 무슨 일이 일어날까요? 큐비트는 여전히 에너지를 가지고 있지만, 양자 중첩 상태를 유지하기에는 충분하지 않습니다.

T1의 용도가 무엇인지 궁금합니다. T2 이후에는 큐비트가 “유효한” 양자 상태를 생성하지 않기 때문입니다. 아마도 이는 양자 오류 수정(QEC)과 관련이 있을 수 있으며, QEC가 T2 기간 내에 발생하고 큐비트 오류 수정 최대 지속 시간이 T1이 되도록 보장하는 것일 수 있습니다. 전문가와 상의하여 메모를 수정해야겠습니다.

라비와 램지 실험 Link to heading

이 메모는 T1과 T2와 관련된 두 가지 실험에 대한 언급이 없으면 완전하지 않을 것입니다.

  • 라비 및 T1: T1은 라비 진동을 이용하여 이완 시간을 측정합니다. 라비 시퀀스는 스핀을 초기 상태에서 출발시키고, 이후 종방향 이완(T1)으로 인한 라비 진동의 감쇠를 측정하여 스핀이 열평형 상태로 얼마나 빨리 돌아오는지 결정합니다.

램지 및 T2: T2는 일반적으로 램지 간섭계로 특징지어집니다.

T1과 라비는 같은 것이 아닙니다. 문헌에서는 종종 큐비트를 |1> 상태로 여기시키는 데 필요한 라비 주파수를 언급합니다.

오른쪽 그림은 Quantum Machines에서 가져온 것으로, 라비 및 라스미 측정은 큐비트의 디튜닝 주파수 변화와 번갈아가며 수행되어 “셰브론 모양” 패턴을 생성합니다.

여기서 라비 주파수 Ω는 2준위 시스템이 공진 구동에 의해 구동되는 속도, 즉 구동이 두 상태를 얼마나 강하게 결합하는지를 나타냅니다. 디튜닝 주파수 Δ는 구동 주파수와 시스템의 고유 공진 주파수 간의 차이입니다. 구동이 정확히 공진 상태일 때 Δ=0입니다. 이 경우 시스템은 일반적인(또는 “순수한”) 라비 주파수 Ω에서만 진동합니다.

주파수 튜닝을 개선하는 것과 관련된 연구가 많이 진행되고 있는데, 이전 블로그 게시물에서 설명했듯이 신경망을 사용하는 방법도 그중 하나입니다.

결론 Link to heading

다소 재밌네요. 이제 시장에서 가장 큰 업체가 왜 “퀀텀 머신"이라고 불리는지 알겠습니다. 사실 이것은 그들의 현명한 전략입니다. 누군가는 그들이 스스로를 “양자 알고리즘을 위한 튜링 머신"이나 심지어 이 알고리즘의 “퀀텀 추상 머신” (1) 이라고 부를 것이라고 생각했을지도 모릅니다. 어떤 사람들은 이것을 “퀀텀 컨트롤 스택"이라고 부르지만, 저는 궁극적인 목표인 양자 알고리즘 실행과 훨씬 더 밀접하게 관련되어 있기 때문에 “머신"이라고 부르는 것이 더 좋습니다.

자, 이 일요일 아침 메모는 자세한 내용은 언급하지 않았지만, 이제 우리가 양자 컴퓨팅 기계라고 불러야 할 것의 기초를 마련했습니다.

(1) QM은 실제로 QUAM이라는 양자 추상 기계를 출시했는데, 이는 채널과 파형뿐만 아니라 큐비트와 양자 연산의 관점에서 생각할 수 있도록 하여 물리학자의 사고 과정과 더 밀접하게 일치합니다.

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