[논문 리뷰] Programming Pulse Driven Quantum Computers

Seth Lloyd|ArXiv.org|1999. 12. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 정밀하게 시간 조절된 전자기 펄스로 구동되는 약하게 결합된 양자 시스템의 배열을 기반으로 한 확장 가능하고 보편적인 양자 컴퓨터 아키텍처를 제안한다. 주어진 주파수와 지속 시간을 갖는 펄스 시퀀스를 프로그래밍하여, 이 시스템은 양자 중첩과 유니터리 진동을 가능하게 하는 코herent한 양자 연산을 수행하며, 손실은 오직 오류 보정을 위한 경우에만 필요로 한다—이를 통해 고장 내성 양자 계산을 위한 물리적으로 실현 가능한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Arrays of weakly-coupled quantum systems can be made to compute by subjecting them to a sequence of electromagnetic pulses of well-defined frequency and length. Such pulsed arrays are true quantum computers: bits can be placed in superpositions of 0 and 1, logical operations take place coherently, and dissipation is required only for error correction. Programming such computers is accomplished by selecting the proper sequence of pulses.

연구 동기 및 목표

• 약하게 결합된 양자 시스템을 사용하여 보편적인 양자 컴퓨터를 위한 물리적으로 실현 가능한 아키텍처를 보여주기.
• 전자기 펄스 시퀀스를 통한 코herent 제어를 통해 양자 계산이 가능하다는 것을 보여주기.
• 손실은 오직 오류 보정을 위한 경우에만 필요로 하며, 계산 자체에는 필요로 하지 않음을 입증하여 고장 내성 운영을 지원하기.
• 광학 또는 자기 공 resonance 기법을 사용하여 양자 알고리즘을 구현하기 위한 실용적인 프레임워크 제공하기.
• 펄스 프로그래밍을 통해 이론적 양자 계산과 실험 가능성을 연결하기.

제안 방법

• 각 큐비트가 외부 전자기장에 의해 접근 가능한 약하게 결합된 양자 시스템의 배열을 큐비트로 사용하기.
• 특정 주파수와 지속 시간을 갖는 전자기 펄스 시퀀스를 적용하여 제어된 유니터리 진동을 유도함으로써 양자 논리 게이트를 구현하기.
• 계산 상태(|0⟩ 및 |1⟩)의 중첩을 준비하기 위해 양자 코herence를 활용하기.
• 모든 논리 연산이 유니터리하고 가역적이며, 계산 전반에 걸쳐 양자 코herence를 유지하기.
• 보편적인 게이트 세트(예: 단일 큐비트 회전 및 CNOT 게이트)를 구현하기 위해 펄스 시퀀스를 설계하여 보편적 양자 계산 구현하기.
• 필요한 경우에만 제어된 손실을 도입하여 오류 보정을 통합함으로써 계산 중의 디코herence를 최소화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약하게 결합된 양자 시스템을 전자기 펄스로 구동하여 확장 가능한 양자 컴퓨터를 구축할 수 있는가?
• RQ2 지속적인 제어가 필요 없이 코herent한 펄스 시퀀스를 통해 보편적인 양자 계산을 수행할 수 있는가?
• RQ3 고장 내성 운영을 가능하게 하면서도 계산 중에 양자 코herence를 유지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 임의의 단일 및 이중 큐비트 게이트를 구현하기 위해 필요한 펄스 파rameter(주파수, 지속 시간, 진폭)는 무엇인가?
• RQ5 제안된 아키텍처는 기존의 광학 또는 자기 공 resonance 기술로 실현될 수 있는가?

주요 결과

• 펄스 구동 양자 컴퓨터 모델은 전자기 펄스의 프로그래머블 시퀀스를 통해 보편적 양자 계산을 지원한다.
• 펄스가 정밀하게 제어되어 적용되는 한, 양자 중첩과 얽힘은 계산 중에 유지된다.
• 시스템은 코herent하게 작동하며, 손실은 오직 오류 보정을 위한 경우에만 필요로 하며 논리 연산에는 필요로 하지 않는다.
• 모듈러 아키텍처의 약하게 결합된 양자 시스템의 배열에 기반하여 원칙적으로 확장 가능하다.
• 기존의 실험 플랫폼인 트랩된 이온, 양자 점 또는 NMR 시스템과 호환된다.
• 1993년의 Science 논문에 의해 지지되는 이론적 프레임워크는 功能적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 실용적 블루프린트를 제공한다.