[논문 리뷰] Quantum computing and the entanglement frontier

John Preskill|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 26.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 31인용 수 149

한 줄 요약

이 논문은 고도로 얽힌 양자 상태를 활용하여 고장 내성 양자 오류 수정 또는 토폴로지적 양자 계산을 통해 고전적 시뮬레이션을 초월하는 '양자 우월성'을 달성할 수 있다는 것을 제안한다. 제어 가능한 대규모 양자 시스템은 새로운 양자 현상을 드러내며 고전적 능력을 뛰어넘을 것이며, 이는 물리학과 계산 분야에서 전환점이 될 것이다.

ABSTRACT

Quantum information science explores the frontier of highly complex quantum states, the "entanglement frontier." This study is motivated by the observation (widely believed but unproven) that classical systems cannot simulate highly entangled quantum systems efficiently, and we hope to hasten the day when well controlled quantum systems can perform tasks surpassing what can be done in the classical world. One way to achieve such "quantum supremacy" would be to run an algorithm on a quantum computer which solves a problem with a super-polynomial speedup relative to classical computers, but there may be other ways that can be achieved sooner, such as simulating exotic quantum states of strongly correlated matter. To operate a large scale quantum computer reliably we will need to overcome the debilitating effects of decoherence, which might be done using "standard" quantum hardware protected by quantum error-correcting codes, or by exploiting the nonabelian quantum statistics of anyons realized in solid state systems, or by combining both methods. Only by challenging the entanglement frontier will we learn whether Nature provides extravagant resources far beyond what the classical world would allow.

연구 동기 및 목표

• 대규모 고도로 얽힌 양자 시스템을 제어할 수 있고 고전적 컴퓨터를 능가할 수 있는지 조사하기.
• 현재 이해 수준에서 볼 때, 지수적 힐베르트 공간 복잡도를 가진 양자 시스템이 고전적 시스템에 의해 효율적으로 시뮬레이션될 수 있는지 판단하기.
• 양자 오류 수정 또는 토폴로지적 양자 계산을 통해 양자 우월성을 달성할 수 있는지 타당성을 평가하기.
• 양자 시뮬레이터와 보편 양자 컴퓨터가 고전적 방법으로 접근할 수 없는 이색 양자 현상을 탐구할 수 있는지 탐색하기.
• 약 100 큐비트의 근접된 양자 장치가 완전한 고장 내성 없이도 초고전적 행동을 보일 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 다항 시간 내에 구현 가능한 양자 회로가 기본 상태에 작용하는 양태로 가능한 양자 상태를 모델링하여, 물리적으로 관련된 비표준 상태로 힐베르트 공간을 제한하기.
• 다항적으로 제한된 게이트 수를 가진 양자 회로를 사용하여 물리적으로 실현 가능한 양자 상태와 측정을 정의하기.
• 양자 정보를 붕괴로부터 보호하기 위한 양자 오류 수정 코드를 제안하여 확장 가능한 양자 계산을 가능하게 하기.
• 비아벨리안 anyon을 사용한 토폴로지적 양자 계산을 고려하여 고장 내성의 대체 경로를 모색하고, 이국적인 양자 통계를 활용하기.
• 강한 상관관계가 있는 양자 시스템을 시뮬레이션할 때, 제한된 고장 내성의 존재를 가진 아날로그 양자 시뮬레이터와 보편 양자 컴퓨터를 비교하기.
• 점점 더 복잡하고 얽힌 시스템을 탐구하는 데 사용할 수 있는 '얽힘의 국경' 개념을 프레임워크로 삼기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 얽힌 양자 시스템이 고전적 컴퓨터의 능력을 뛰어넘을 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 조건에서 그러한 능력을 발휘할 수 있는가?
• RQ2 고도로 얽힌 양자 상태의 고전적 시뮬레이션은 본질적으로 비효율적인가? 이 주장에 뒷받침되는 증거는 무엇인가?
• RQ3 표준 큐비트 또는 토폴로지적 anyon을 기반으로 한 양자 오류 수정이 확장 가능한 양자 계산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 물리적 시스템에서 강력한 양자 오류 수정 코드의 존재를 확인할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ5 부분적으로 제어가 어려운 아날로그 양자 시뮬레이터도 이색 양자 상을 시뮬레이션할 때 초고전적 행동을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 고도로 얽힌 양자 시스템은 힐베르트 공간의 지수적으로 작은 부분을 차지하지만, 이러한 상태들은 물리적으로 관련이 있으며 고전적으로 효율적으로 시뮬레이션하기 어려울 수 있다.
• 이론적 증거는 고전적 시스템이 고도로 얽힌 양자 상태를 효율적으로 시뮬레이션할 수 없다는 것을 시사하며, 이는 본질적인 양자 우위를 의미한다.
• 양자 오류 수정은 고장 내성 양자 계산을 위한 실현 가능한 길을 제공하지만, 확장성은 물리적 및 공학적 과제를 해결해야 하는 데 달려 있다.
• 비아벨리안 anyon을 사용한 토폴로지적 양자 계산은 본질적으로 강력한 양자 정보 보호를 제공할 수 있으며, 표준 오류 수정의 대안이 될 수 있다.
• 아날로그 양자 시뮬레이터는 완전한 고장 내성 없이도 보편적인 양자 현상을 탐구할 수 있으며, 특히 다양한 실험 플랫폼 간 결과가 일관될 경우 더욱 그렇다.
• 약 100 큐비트의 시스템은 완전한 오류 수정 없이도 특정 작업에서 이미 양자 우월성을 보일 수 있으며, 이는 근접된 실험적 실현 가능성에 대한 시사점을 제공한다.