[논문 리뷰] Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade

Kyung-Jun Lee, Y. P. Tan외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 15.

Tardigrade Biology and Ecology인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초전도 큐비트와 터널 상태인 타르디그레이드 사이의 얽힘을 입증한다. 실험은 10 mK와 6×10⁻⁶ mbar 조건에서 420시간 동안 지속되었으며, 삼중 얽힘 시스템의 양자 상태 단층촬영에서 82%의 정밀도를 기록하였다. 이는 다세포 진핵생물이 극한의 양자 냉각 조건에서도 생물학적 생존 능력을 유지하면서 큐비트와 얽힘 상태를 유지할 수 있음을 증명한다.

ABSTRACT

Quantum and biological systems are seldom discussed together as they seemingly demand opposing conditions. Life is complex, "hot and wet" whereas quantum objects are small, cold and well controlled. Here, we overcome this barrier with a tardigrade -- a microscopic multicellular organism known to tolerate extreme physiochemical conditions via a latent state of life known as cryptobiosis. We observe coupling between the animal in cryptobiosis and a superconducting quantum bit and prepare a highly entangled state between this combined system and another qubit. The tardigrade itself is shown to be entangled with the remaining subsystems. The animal is then observed to return to its active form after 420 hours at sub 10 mK temperatures and pressure of $6 imes 10^{-6}$ mbar, setting a new record for the conditions that a complex form of life can survive.

연구 동기 및 목표

• 극한 조건 하에서 양자 혼돈과 생물학적 생존 능력이 공존할 수 있는지를 탐색한다.
• 복잡한 다세포 생물이 생물학적 功能을 상실하지 않은 채 양자 얽힘을 유지할 수 있는지를 시험한다.
• 오랜 기간 동안의 가정인, 환경적 분리로 인해 양자 시스템과 생물물질은 상호 불가능하다는 전제를 도전한다.
• 타르디그레이드의 터널 상태를 통해 초전도 큐비트와 안정적으로 결합되는 하이브리드 양자-생물학적 시스템을 구축한다.
• 초저온 및 초고진공 조건에 장기간 노출된 후에도 생물학적 기능이 유지될 수 있음을 입증함으로써, 살아있는 생물을 이용한 양자 실험의 가능성을 확립한다.

제안 방법

• 터널 상태의 타르디그레이드를 초전도 트랜스몬 큐비트 위에 배치하여, 큐비트의 공진 주파수에 측정 가능한 이동을 유도하는 결합을 유도하였다.
• SWIPHT 펄스 프로토콜을 이용한 제어-노트 게이트를 통해, 제2의 초전도 큐비트와 큐비트-타르디그레이드 시스템을 얽히게 하였다.
• 16개의 1큐비트 게이트 조합을 사용하여 큐비트 A의 4차원 부분공간과 큐비트-B-타르디그레이드 시스템의 복합 상태에 대한 양자 상태 단층촬영을 수행하였다.
• 최대우도 추정법을 적용하여 밀도 행렬을 재구성하고 실험 상태의 물리적 일관성을 확보하였다.
• 큐비트-타르디그레이드 상호작용을 분석적으로 다룰 수 있도록, 디튜닝에 따라 변하는 결합 강도를 고려한 일반화된 Tavis-Cummings 해밀토니안으로 시스템을 모델링하였다.
• 음성도 기반의 tangle을 사용하여 얽힘을 정량화하였으며, 상호작용 강도 θ가 증가함에 따라 진정한 삼중 얽힘의 정도가 단조적으로 증가하는 것으로 나타났다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터널 상태의 다세포 진핵생물이 초전도 큐비트와 결합되었을 때, 양자 혼돈을 유지할 수 있는가?
• RQ2 극한의 극저온 조건에서 살아있는 생물과 매크로스코픽 양자 시스템 간에 높은 정밀도의 얽힘을 달성할 수 있는가?
• RQ3 10 mK 이하의 온도와 초고진공에서 장기간 노출된 후에도 타르디그레이드는 생물학적 생존 능력을 유지하는가?
• RQ4 생물학적 기능을 손상시키지 않은 채, 살아있는 생물과 큐비트 사이에서 양자 얽힘을 관찰할 수 있는가?
• RQ5 타르디그레이드의 터널 상태가 안정적이고 장기간 지속되는 양자 결합을 얼마나 잘 가능하게 하는가?

주요 결과

• 큐비트-타르디그레이드 시스템은 측정 가능한 주파수 이동을 보이며, 초전도 큐비트와 생물학적 시스템 간의 결합이 확인되었다.
• 삼중 얽힘 상태는 양자 상태 단층촬영 결과 이상적인 벨 유사 상태와 82%의 정밀도로 일치함을 입증하였다.
• tangle 기반의 음성도를 통해 타르디그레이드가 유한한 상호작용 강도가 존재하는 한 두 큐비트와 모두 얽힘 상태에 있음을 확인하였다.
• 타르디그레이드는 10 mK와 6×10⁻⁶ mbar 조건에서 420시간 동안 생존하여 복잡한 생물에서의 극한 환경 노출 기록을 수립하였다.
• 냉각 환경에서 제거된 후 타르디그레이드는 활성 대사 상태로 성공적으로 복구되어 실험 후 생물학적 기능이 유지됨을 확인하였다.
• π-tangle로 정량화된 진정한 삼중 얽힘은 상호작용 강도 θ가 증가함에 따라 단조적으로 증가하였으며, 강력한 양자 상관관계를 나타내었다.