오류 수정 없이 양자 이점을 보여주는 IBM의 127큐비트 프로세서 – Physics World

오류 수정 없이 양자 이점을 보여주는 IBM의 127큐비트 프로세서 – Physics World

타임 스탬프 : 26 년 2023 월 3 일 오후 30:XNUMX

IBM 이글
시끄럽지만 좋은: 이 최신 연구에 사용된 IBM의 Eagle 양자 프로세서의 일부를 클로즈업합니다. (제공: IBM)

127큐비트 양자 프로세서는 모델 2D 재료의 자기 특성을 계산하기 위해 국제 연구팀에서 사용되었습니다. 그들은 그들의 IBM 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 도저히 할 수 없는 계산을 수행할 수 있음을 발견했으며, 따라서 그들의 프로세서가 적어도 이 특정 애플리케이션에 대해 오늘날의 시스템보다 양자 이점을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 또한 양자 오류 수정이 필요 없는 결과를 얻었습니다.

미래의 양자 컴퓨터는 가장 강력한 기존 컴퓨터의 능력을 넘어선 몇 가지 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 이를 양자 이점이라고 합니다. 물리학자들은 미래의 장치가 이러한 이점을 얻으려면 약 백만 개의 양자 비트(또는 큐비트)를 결합해야 할 것이라고 믿습니다. 그러나 오늘날 가장 큰 양자 프로세서는 1000큐비트 미만을 포함합니다.

양자 컴퓨터를 사용할 때 중요한 문제는 오늘날의 큐비트가 오류에 매우 취약하여 양자 계산을 빠르게 파괴할 수 있다는 것입니다. QEC(Quantum Error Correction) 기술은 내결함성 양자 컴퓨팅이라는 기술에서 노이즈를 처리하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에는 많은 수의 큐비트를 사용하여 오류 가능성이 훨씬 적은 하나의 "논리적 큐비트"를 생성하는 작업이 포함됩니다. 결과적으로 계산을 수행하려면 많은 하드웨어가 필요하며 일부 전문가는 이 기술이 널리 사용되기 전에 수년간의 개발이 필요할 것이라고 생각합니다.

그러나 이제 IBM 연구원이 이끄는 팀은 QEC 없이도 양자 이점을 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 팀은 127큐비트 양자 프로세서를 사용하여 2D Ising 모델을 사용하여 재료의 자화를 계산했습니다. 이 모델은 가장 가까운 이웃과 상호 작용하는 양자 스핀 격자를 사용하여 2D 재료의 자기 특성을 나타냅니다. 매우 단순함에도 불구하고 이 모델은 해결하기가 매우 어렵습니다.

소음 제거

연구원들은 이미 일부 화학 계산을 수행하는 데 사용된 "노이즈 중간 규모 양자 계산"이라는 접근 방식을 사용했습니다. 이는 오류 축적을 피하기 위해 계산이 빠르게 진행되는 시간과의 경쟁입니다. 범용 양자 프로세서를 만드는 대신 연구원들은 Ising 모델을 큐비트 자체에 직접 인코딩했습니다. 그들은 큐비트와 시뮬레이션 중인 모델의 양자 역학적 특성의 유사성을 활용하여 QEC를 사용하지 않고도 의미 있는 결과를 얻었습니다.

계산을 위해 IBM 팀은 127 큐비트로 구성된 초전도 양자 프로세서 칩을 사용했습니다. 이 칩은 기존 논리 게이트의 양자 아날로그인 총 약 60개의 2800큐비트 게이트로 2층 깊이의 양자 회로를 실행합니다. 양자 회로는 XNUMXD Ising 모델을 프로그래밍하는 데 사용된 크고 매우 얽힌 양자 상태를 생성합니다. 이는 큐비트와 큐비트 쌍에 대해 일련의 작업을 수행하여 수행됩니다. 큐비트의 긴 일관성 시간과 최적의 동시 작동을 위해 XNUMX큐비트 게이트가 모두 보정되었기 때문에 고품질 측정이 가능했습니다.

수정이 아닌 완화

이러한 방법은 노이즈의 상당 부분을 제거하지만 오류는 여전히 중요한 문제였습니다. 이를 해결하기 위해 IBM 팀은 기존 컴퓨터를 사용하여 양자 오류 완화 프로세스를 적용했습니다. 이는 소프트웨어를 사용하여 노이즈를 보상하는 후처리 기술로, 자화를 정확하게 계산할 수 있습니다.

연구팀의 양자 계산은 기존 컴퓨터에 비해 분명한 이점을 보여주었지만, 이 이점은 계산 속도와 완전히 관련이 있는 것은 아니다. 대신 127큐비트 프로세서가 Ising 모델의 많은 구성을 인코딩할 수 있는 능력에서 비롯됩니다. 이는 컴퓨터가 달성하기에 충분한 메모리가 없을 것입니다.

IBM 크리스탄 테메의 공동 저자인 자연 종이 이 연구는 내결함성 양자 컴퓨터를 사용할 수 있게 되기 전에 보다 일반적인 단기 양자 알고리즘의 구현을 향한 결정적인 단계라고 믿습니다. 그는 팀이 하드웨어의 일관성 시간에 의해서만 제한되는 회로에서 모델 시스템의 정확한 기대값을 얻을 수 있음을 보여주었다고 말합니다. 그는 양자 오류 완화를 위한 방법을 가까운 미래에 그러한 응용 프로그램을 위한 "필수 요소"라고 부릅니다. "우리는 이 새로운 도구를 사용하고 제안된 많은 단기 양자 알고리즘 중 어떤 것이 실제로 현재의 고전적인 방법보다 이점을 제공할 수 있는지 탐색하기를 매우 열망하고 있습니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계.

존 프리 스킬 이 연구에 참여하지 않은 미국 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구원은 팀의 가장 중요한 성과라고 생각하는 장치 성능의 품질에 "감명받았다"고 말합니다. 그는 결과가 단기 양자 컴퓨터가 물리학 탐구 및 발견을 위한 도구로 사용될 수 있다는 증거를 강화한다고 덧붙였습니다.

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