이 은유적 고양이는 죽기도 하고 살아있기도 합니다. 이는 양자 엔지니어가 컴퓨팅 오류를 감지하는 데 도움이 될 것입니다

UNSW 엔지니어들은 현실 세계에서 잘 알려진 양자 사고 실험을 시연했습니다. 그들의 발견은 양자 계산을 수행하는 새롭고 보다 강력한 방법을 제공하며, 작동 중인 양자 컴퓨터 사이에 있는 가장 큰 장애물 중 하나인 오류 수정에 중요한 의미를 갖습니다.

양자 역학은 한 세기가 넘도록 과학자와 철학자들을 당황하게 했습니다. 가장 유명한 양자 사고 실험 중 하나는 "슈뢰딩거의 고양이"입니다. 이 고양이는 방사성 원자의 붕괴에 따라 생사가 좌우됩니다.

양자역학에 따르면 원자는 직접적으로 관찰되지 않는 이상 붕괴된 상태와 붕괴되지 않은 상태의 중첩, 즉 동시에 여러 상태에 있는 것으로 간주되어야 합니다. 이는 고양이가 죽은 것과 살아있는 것의 중첩 상태에 있다는 문제 있는 결론으로 ​​이어집니다.

"누구도 동시에 죽고 사는 상태에 있는 실제 고양이를 본 적은 없지만, 사람들은 슈뢰딩거의 고양이 은유를 사용하여 엄청난 차이가 있는 양자 상태의 중첩을 설명합니다."라고 연구를 수행한 팀 리더인 UNSW 교수 안드레아 모렐로는 말했습니다. 이 연구는 최근 Nature Physics 저널에 게재되었습니다.

원자 고양이

이 연구 논문에서 모렐로 교수 팀은 표준 '큐비트' 또는 양자 빌딩 블록보다 훨씬 더 복잡한 안티몬 원자를 사용했습니다.

"우리 연구에서 '고양이'는 안티몬 원자입니다"라고 논문의 주저자인 Xi Yu는 말했습니다.

"안티몬은 큰 핵 스핀, 즉 큰 자기 쌍극자를 갖는 무거운 원자입니다. 안티몬의 스핀은 단지 두 방향이 아닌 여덟 가지 다른 방향을 취할 수 있습니다. 이것은 별것 아닌 것처럼 보일 수도 있지만 실제로는 안티몬의 행동을 완전히 변화시킵니다. 반대 방향을 가리키는 안티몬 스핀의 중첩은 중첩의 두 가지를 분리하는 여러 양자 상태가 있기 때문에 단순히 '위'와 '아래'의 중첩이 아닙니다."

이는 원자의 핵 스핀을 기본 빌딩 블록으로 사용하여 양자 컴퓨터를 구축하는 과학자들에게 중대한 결과를 가져옵니다.

공동 저자인 벤자민 빌헬름(Benjamin Wilhelm)은 “일반적으로 사람들은 양자 정보의 기본 단위로 양자 비트 또는 큐비트(두 가지 양자 상태로만 설명되는 개체)를 사용합니다.”라고 말했습니다.

"큐비트가 스핀인 경우 '0' 상태를 '스핀 다운', '1' 상태를 '스핀 업'이라고 부를 수 있습니다. 그러나 스핀 방향이 갑자기 바뀌면 즉시 논리적 오류가 발생합니다: 0 단 한 번에 1로 바뀌거나 그 반대로 바뀌는 것이 바로 양자 정보가 그토록 취약한 이유입니다."

그러나 8개의 서로 다른 회전 방향을 갖는 안티몬 원자에서 '0'이 '죽은 고양이'로, '1'이 '살아있는 고양이'로 인코딩되면 단일 오류로는 양자 코드를 뒤섞기에 충분하지 않습니다.

"속담에 있듯이, 고양이는 9개의 생명을 가지고 있습니다. 한 번의 작은 흠집만으로는 죽일 수 없습니다. 우리의 비유적인 '고양이'는 7개의 생명을 가지고 있습니다. '0'을 '1'로 바꾸려면 7번의 연속 오류가 필요합니다! 반대 방향으로 안티몬 스핀 상태의 중첩이 '거시적'이라는 의미입니다. 왜냐하면 이것이 더 큰 규모로 일어나고 슈뢰딩거 고양이를 실현하기 때문입니다."라고 Yu는 설명합니다.

확장 가능한 기술

안티몬 고양이는 컴퓨터나 휴대폰에 있는 것과 유사하지만 단일 원자의 양자 상태에 접근할 수 있도록 조정된 실리콘 양자 칩 내부에 내장되어 있습니다. 이 칩은 UNSW의 Danielle Holmes 박사가 제작했으며, 멜버른 대학의 동료들은 안티몬 원자를 칩에 삽입했습니다.

"실리콘 칩 내부에 원자 '슈뢰딩거 고양이'를 호스팅함으로써 우리는 양자 상태를 절묘하게 제어할 수 있습니다. 원하는 경우 삶과 죽음도 제어할 수 있습니다."라고 Holmes 박사는 말합니다.

"게다가 실리콘에 '고양이'를 호스팅한다는 것은 장기적으로 이 기술이 오늘날 우리가 가지고 있는 컴퓨터 칩을 구축하기 위해 이미 채택한 것과 유사한 방법을 사용하여 확장될 수 있음을 의미합니다."

이 획기적인 발전의 중요성은 양자 계산을 수행하는 새로운 방법의 문을 열었다는 것입니다. 정보는 여전히 이진 코드 '0' 또는 '1'로 인코딩되지만 논리 코드 사이에는 '오류의 여지'가 더 많습니다.

"단 하나 또는 몇 가지 오류가 있어도 정보가 즉시 뒤섞이지 않습니다."라고 Morello 교수는 말합니다.

"오류가 발생하면 바로 감지하고, 더 이상의 오류가 쌓이기 전에 수정할 수 있습니다. '슈뢰딩거 고양이' 비유를 계속하면 마치 얼굴에 큰 상처를 입은 채 집으로 돌아오는 고양이를 본 것과 같습니다. 그는 멀리 있습니다. 하지만 우리는 그가 싸움에 휘말렸다는 것을 알고 있습니다. 싸움이 다시 일어나서 우리 고양이가 더 큰 부상을 입기 전에 누가 싸움을 일으켰는지 찾아볼 수 있습니다."

양자 컴퓨팅의 '성배'인 양자 오류 감지 및 수정 시연은 팀이 다룰 다음 이정표입니다.

이 작업은 광범위한 국제 협력의 결과였습니다. UNSW 시드니의 몇몇 저자와 멜버른 대학교의 동료들이 양자 장치를 제작하고 작동했습니다. 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)와 NASA 에임스(NASA Ames), 캐나다 캘거리 대학교(University of Calgary)의 이론 공동 연구자들은 고양이를 만드는 방법과 고양이의 복잡한 양자 상태를 평가하는 방법에 대한 귀중한 아이디어를 제공했습니다.

"이 연구는 상호 보완적인 전문 지식을 갖춘 세계 최고의 팀 간의 개방형 협업의 훌륭한 예입니다."라고 Morello 교수는 말합니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250114125022.htm

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