[논문 리뷰] Quantum Computation with Bose-Einstein Condensates

Yu Shi|arXiv (Cornell University)|1999. 10. 15.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이중우물 퍼텐셜 내 또는 조지프슨 결합된 내부 상태를 가진 결합된 보즈아인슈타인 응축체(BECs)를 양자 계산 플랫폼으로 사용하는 것을 제안한다. 공동 응축체 파동함수를 개별 상태의 곱 상태들의 초위상으로 구성하고, 매크로스코픽 양자 얽힘과 비선형 상호작용을 활용함으로써, NP-완전 문제를 해결할 수 있는 잠재력이 있는 강건한 비선형 양자 계산이 가능해진다.

ABSTRACT

For a Bose condensate in a double-well potential or with two Josephson-coupled internal states, the condensate wavefunction is a superposition. Here we consider coupling two such Bose condensates, and suggest the existence of a joint condensate wavefunction, which is in general a superposition of all products of the bases condensate wavefunctions of the two condensates. The corresponding many-body state is a product of such superposed wavefunctions, with appropriate symmetrization. These states may be potentially useful for quantum computation. There may be robustness and stability due to macroscopic occupation of a same single particle state. The nonlinearity of the condensate wavefunction due to particle-particle interaction may be utilized to realize nonlinear quantum computation, which was suggested to be capable of solving NP-complete problems.

연구 동기 및 목표

• 이중우물 퍼텐셜 내 보즈아인슈타인 응축체를 양자 계산 플랫폼으로 사용할 수 있는지의 가능성을 탐색한다.
• BECs의 매크로스코픽 양자 얽힘 상태가 양자 정보 처리에서 안정성과 강건성을 어떻게 향상시키는지 조사한다.
• BECs 내 비선형 상호작용이 비선형 양자 계산을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할을 검토한다.
• 이러한 시스템이 계산적으로 어려운 문제, 특히 NP-완전 문제를 해결할 잠재력을 평가한다.
• 응축체 파동함수의 대칭화된 초위상의 조합을 통해 다체 양자 상태를 구성하여 양자 정보 인코딩을 제안한다.

제안 방법

• 이중우물 퍼텐셜 내 또는 내부 상태 조지프슨 결합을 통한 턨널링으로 결합된 두 보즈아인슈타인 응축체를 모델링한다.
• 개별 응축체 기저의 모든 곱 상태들의 초위상으로 공동 응축체 파동함수를 구성한다.
• 보스 통계에 따라 보존하기 위해 초위상 파동함수의 대칭화된 곱으로 다체 양자 상태를 구성한다.
• 입자 간 상호작용으로 인해 발생하는 고르스피타브스키 방정식의 비선형 항을 이용해 비선형 양자 게이트를 구현한다.
• 비선형성에 기인한 동역학을 바탕으로 시스템의 비선형 양자 계산 잠재력 분석한다.
• 단일 입자 상태의 매크로스코픽 점유를 활용해 양자 얽힘을 강화하고 디코herence 효과를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 두 BECs로부터 형성된 공동 응축체 파동함수는 양자 계산을 위한 안정적인 큐비트 레지스터로 기능할 수 있는가?
• RQ2 BECs에서 단일 양자 상태의 매크로스코픽 점유가 디코herence에 대한 저항성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 응축체 파동함수의 비선형 항이 비선형 양자 연산을 얼마나 강력하게 가능하게 하는가?
• RQ4 BEC 기반 시스템을 사용해 NP-완전 문제를 해결할 수 있는 비선형 양자 계산을 수행할 수 있는가?
• RQ5 다체 상태의 대칭화가 양자 상태의 얽힘 유지와 유효성 확보에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 공동 응축체 파동함수는 개별 응축체 기저의 모든 곱 상태들의 초위상으로 구성되어 매크로스코픽 얽힘 상태를 형성한다.
• 다체 상태는 초위상 파동함수의 대칭화된 곱으로 구성되어 보스 통계에 부합함을 보장한다.
• 단일 입자 상태의 매크로스코픽 점유로 인해 일부 디코herence 메커니즘에 대한 내재적 강건성과 안정성이 확보된다.
• 고르스피타브스키 방정식에 의해 지배되는 응축체 파동함수의 비선형 상호작용은 비선형 양자 연산을 실현하는 데 활용될 수 있다.
• 시스템의 비선형성은 비선형 양자 계산을 가능하게 하며, 이는 NP-완전 문제를 해결할 수 있다는 이론적 프레임워크로 제안된다.
• 제안된 아키텍처는 초냉각 원자 시스템을 이용한 확장 가능한 고조화 양자 계산을 위한 잠재적 길을 제공한다.