[논문 리뷰] Flux-qubit and the law of angular momentum conservation

А. В. Никулов|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 19.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 73인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 널리 수용된 플럭스 큐비트가 운동량 보존 법칙과 거시적 현실주의와 모순됨을 주장하며, 거시적 영속 전류 상태의 초위상 중첩을 가정하는 것의 타당성을 도전한다. 이는 양자역학의 기초 철학적 문제, 예를 들어 초위상의 본질과 양자 기술 기술의 본질을 간과한 데서 비롯된 오해에서 비롯된 것으로 보고 있으며, 이러한 문제를 忽시할 경우 양자정보 연구 분야에서 근본적인 오류가 발생할 수 있음을 경고한다.

ABSTRACT

The confidence of many authors in the possibility to use superconducting loop interrupted by Josephson junctions as a basis for quantum bit, flux qubit, presumes the assumption on superposition of two macroscopically distinct quantum states with macroscopically different angular momentum. The contradiction of this assumption with macroscopic realism and the conservation law must call the numerous publications about flux qubit in question. These publications uncover misunderstanding by many modern physicists of the essence of the superposition principle. The Einstein - Podolsky - Rosen (EPR) correlation or entanglement, introduced in 1935 by opponents of the Copenhagen interpretation in order to reveal the contradiction of this principle with realism, has provided a basis of the idea of quantum computation. The problem of the EPR correlation has emerged thanks to philosophical controversy between the creators of the quantum theory about the subject of its description. Therefore it is impossible to solve correctly the problem of quantum computer creation without the insight into the essence of this philosophical controversy. The total neglect of the philosophical problems of quantum foundation results to concrete mistakes, the example of which are the publications about flux qubit. In order to prevent such mistakes in the future the philosophical questions about the essence of superposition and entanglement and about the subject of quantum description are considered.

연구 동기 및 목표

• 플럭스 큐비트 모델과 운동량 보존의 기본 법칙 사이의 모순을 드러내는 것.
• 초전도 링이 거시적으로 다를 수 있는 전류 상태의 초위상 중첩을 지닐 수 있다는 광범위한 가정을 비판하는 것.
• 기초 양자 철학을 간과할 경우 양자 컴퓨팅 연구에서 개념적 오류가 어떻게 발생하는지 부각하는 것.
• 아인슈타인, 보어 등이 논의한 양자 기술 기술에 대한 철학적 논쟁이 정확한 양자정보 과학을 위해 필수적임을 주장하는 것.
• 양자 컴퓨팅 기술을 발전시키기 전에 양자역학의 인지론적 기초를 재고당해 줄 것을 연구자들에게 당부하는 것.

제안 방법

• 전류-위상 관계 $ I_p = I_c \sin(\Delta\phi) $ 를 사용하여 조셉슨 결합이 있는 초전도 링 내의 영속 전류 상태를 분석한다.
• 플럭스 양자화 조건 $ \Delta\phi_1 + \Delta\phi_2 + \Delta\phi_3 + 2\pi\Phi/\Phi_0 = 2\pi n $ 를 적용하여 영속 전류의 존재를 도출한다.
• 거시적 현실주의와 운동량 보존을 배경으로 초위상 원리의 해석을 검토한다.
• 벨의 정리와 레그게트-가르크 부등식을 포함한 금지 정리들을 검토하여 단일 시스템의 초위상에 대한 적용 가능성을 평가한다.
• 플럭스 큐비트의 실험 결과를 거시적 초위상 중첩의 증거로 사용하는 것에 대한 비판을 제기하며, 이러한 결과들이 국소 은닉 변수 모델을 배제하지 못한다고 주장한다.
• 아인슈타인의 인지론적 프레임워크를 활용하여, 양자역학이 개념적 오류를 피하기 위해 철학적 명료성에 기반해야 한다고 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 링 내에서 두 개의 거시적으로 다를 수 있는 영속 전류 상태 사이의 초위상 중첩을 가정할 경우 운동량 보존 법칙을 위반하는가?
• RQ2 단일 플럭스 큐비트 시스템에 대한 실험 관측 결과를 거시적 양자 초위상 중첩의 결정적 증거로 해석할 수 있는가?
• RQ3 왜 많은 현대 물리학자들이 초위상 원리의 기초 철학적 기반과 그 함의를 인식하지 못하는가?
• RQ4 벨의 정리나 레그게트-가르크의 정리와 같은 금지 정리들이 플럭스 큐비트와 같은 단일 국소 시스템에 얼마나 적용 가능한가?
• RQ5 양자역학에서 인지론적 질문을 간과할 경우 양자 컴퓨팅 연구에서 어떤 식으로 근본적인 오류가 발생하는가?

주요 결과

• 플럭스 큐비트 내에서 두 거시적으로 다를 수 있는 전류 상태 사이의 초위상 중첩을 가정할 경우 운동량 보존 법칙을 위반한다.
• 조셉슨 결합이 있는 초전도 링 내의 영속 전류 상태는 운동량을 유지하는 방식으로 중첩될 수 없으며, 이는 표준 플럭스 큐비트 모델과 모순된다.
• 벨의 정리와 레그게트-가르크의 정리는 플럭스 큐비트와 같은 단일 국소 시스템에는 적용 불가능하여, 거시적 초위상 중첩을 정당화하기 위한 노력이 흔들린다.
• 플럭스 큐비트의 실험 결과는 거시적 초위상 중첩의 증거로 쓸 수 없으며, 국소 은닉 변수 모델을 배제하지 못하기 때문이다.
• 플럭스 큐비트 모델에 대한 광범위한 수용은 기초 논의의 간과에서 비롯된 철학적 오해에서 비롯된 것으로, 양자 기술 기술의 대상에 대한 논의의 기초가 간과되었다.
• 이 논문은 플럭스 큐비트 연구 전반의 기반에 '이상한 실수'가 존재하며, 이는 양자 기초 이론과 인지론을 무시한 데서 기인한다고 결론 내린다.