[논문 리뷰] Realization of a quantum walk in momentum space with a Bose-Einstein condensate

Siamak Dadras, Alexander Gresch외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 13인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 루비듐 원자를 이용해 운동량 상태를 사용하여 이산 시간 양자 산책을 구현한다. 내부 초미세구조 상태는 코인 자유도로 기능한다. 코인과 이동 연산을 조작함으로써 저항력 있는 양자 산책 역학을 구현하였으며, 간섭 효과와 산책 방향의 제어 가능하거나 반전 가능함을 보여주어 고전적 랜덤 워크에 비해 핵심적인 양자 이점을 강조한다.

ABSTRACT

Randomness is the essence of many processes in nature and human society. It can provide important insights into phenomena as diverse as disease transmission, financial markets, and signal processing. Quantum randomness is intrinsically different from classical stochasticity since it is affected by interference and entanglement. This entanglement makes quantum walks promising candidates for the implementation of quantum computational algorithms and as a detector of quantum behavior. We present a discrete-time quantum walk that uses the momentum of ultra-cold rubidium atoms as the walk space and two internal atomic states as the degree of freedom. We demonstrate the principle features of a quantum walk, contrasting them to the behavior of a classical walk. By manipulating either the walk or coin operator we show how the walk dynamics can be biased or reversed. Our walk offers distinct advantages arising from the robustness of its dynamics in momentum space, and extendability to higher dimensions and many-body regimes.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 플랫폼으로 사용하여 운동량 공간에서 이산 시간 양자 산책을 실현하기.
• 양자 산책 역학과 고전적 랜덤 워크를 대비하여 간섭 및 얽힘 효과를 강조하기.
• 코인 및 이동 연산자 조작을 통해 산책 역학을 제어하여 산책 방향을 편향시키거나 반전시키기.
• 고차원 및 다체 양자 산책 실현을 위한 시스템의 저항성 및 확장 가능성 탐색하기.

제안 방법

• 스핀에 의존하는 광학 격자를 이용해 루비듐-87 원자의 보즈아인슈타인 응축을 정의하여 운동량 공간 산책을 구현한다.
• 원자들의 두 내부 초미세구조 상태를 양자 코인으로 사용하여 초위상 및 유니터리 진화를 가능하게 한다.
• 제어된 연산 시퀀스를 적용: 내부 상태 공간에서의 코인 뒤집기(유니터리 회전) 이후에 내부 상태에 따라 조건부로 운동량 킥이 가해지는 이동 연산.
• 시간에 따라 변화하는 운동량 분포 측정을 통해 산책 진화를 추적하고 양자 간섭 무늬를 관찰한다.
• 코인 연산자의 동적 제어를 통해 산책 방향을 조정하거나 편향을 유도한다.
• 초냉각 원자 시스템의 안정성과 공명성을 활용하여 다수의 산책 단계 동안 양자 얽힘을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 초냉각 원자를 사용하여 운동량 공간에서 이산 시간 양자 산책을 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 고전적 랜덤 워크와 비교했을 때 양자 산책 역학의 특징적인 특성은 무엇인가?
• RQ3 코인 또는 이동 연산자 조작을 통해 산책의 방향성과 대칭성을 제어할 수 있는가?
• RQ4 운동량 공간 실현에서 실험적 오차에 대해 양자 산책이 얼마나 저항력 있는가?
• RQ5 이 시스템을 고차원 및 다체 양자 산책으로 확장할 수 있는 가능성이 있는가?

주요 결과

• 실험은 보즈아인슈타인 응축을 사용하여 운동량 공간에서 이산 시간 양자 산책을 성공적으로 실현하였으며, 산책 진화에 대한 조작 가능한 제어를 구현하였다.
• 운동량 분포에서 명확한 간섭 무늬가 관측되어 고전적 산책과 대비해 비고전적 성격을 확인하였으며, 고전적 랜덤 워크의 확산 전파와 대조된다.
• 코인 연산자 조정을 통해 산책 방향을 반전하거나 편향시킬 수 있어 양자 운반의 능동적 제어를 입증하였다.
• 광학 격자 내 운동량 상태의 안정성 덕분에 시스템이 저항력 있는 역학을 보이며 장기간의 양자 얽힘을 유지한다.
• 다중 모드 운동량 상태 및 얽힌 원자 군집에 동일한 원리가 적용되므로 고차원 및 다체 시스템으로의 확장이 가능하여 확장 가능한 플랫폼임을 입증하였다.
• 관측된 산책 역학은 고전적 산책의 확산 전파와 대비해 궤도 전파를 보이며, 양자 산책의 특징적인 성질을 보였다.