포획 이온 양자컴퓨터 문서 원본 보기

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'''포획 이온 양자컴퓨터'''는 큰 규모의 [[양자 컴퓨터|양자컴퓨터]]를 위해 제안된 하나의 접근법이다. [[이온]]이나 대전된 소립자는 [[전자기장]]을 이용하여 자유 공간에 갇히고 매달려질 수 있다. [[큐비트]]들은 각 이온의 안정된 전자상태로 저장되며, [https://terms.naver.com/entry.nhn?cid=60217&docId=5741325&categoryId=60217 양자 정보]는 [[쿨롱 힘]]을 통해 상호작용하는 공유된 덫 안의 이온들의 집단적 양자화된 운동을 통해 운반될 수 있다. [[레이저]]는 큐비트 상태(단일 큐비트 연산을 위한)간이나 내부적 큐비트 상태와 외부적 운동 상태(큐비트간의 얽힘을 위한) 사이의 [[:en:Coupling_(physics)|커플링]](coupling)을 유도하기 위해 적용된다.<ref name=":0" />

양자컴퓨터의 근본적 연산은 포획 이온 시스템의 현존 최고의 정확성으로써 경험적으로 시연된다. 시스템을 임의의 많은 수의 큐비트들로 확장하는 개발의 유망한 계획들은 이온을 [[:en:Ion_trap|이온 덫]]의 배열 안의 공간적으로 구별되는 위치들에 운반하는 것과 멀리 떨어져 얽혀 있는 이온 체인의 광자적으로 연결된 네트워크를 통해 거대한 얽힌 상태를 구축하는 것, 그리고 이 두 아이디어의 결합을 포함한다. 이것에 의해 포획 이온 양자컴퓨터 시스템은 확장성과 보편성이 있는 양자컴퓨터를 위한 구조 중 가장 유망한 축에 들게 된다. 2018년 4월 기준으로, 20개의 포획된 이온들이 가장 많은 수의 입자가 제어 가능하게 얽힌 것이다.<ref>{{저널 인용|제목=Observation of Entangled States of a Fully Controlled 20-Qubit System|저널=Physical Review X|성=Friis|이름=Nicolai|성2=Marty|이름2=Oliver|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.8.021012|날짜=2018-04-10|권=8|호=2|언어=en|doi=10.1103/PhysRevX.8.021012|issn=2160-3308|성3=Maier|이름3=Christine|성4=Hempel|이름4=Cornelius|성5=Holzäpfel|이름5=Milan|성6=Jurcevic|이름6=Petar|성7=Plenio|이름7=Martin B.|성8=Huber|이름8=Marcus|성9=Roos|이름9=Christian}}</ref><ref>{{저널 인용|제목=14-Qubit Entanglement: Creation and Coherence|저널=Physical Review Letters|성=Monz|이름=Thomas|성2=Schindler|이름2=Philipp|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.130506|날짜=2011-03-31|권=106|호=13|언어=en|doi=10.1103/PhysRevLett.106.130506|issn=0031-9007|성3=Barreiro|이름3=Julio T.|성4=Chwalla|이름4=Michael|성5=Nigg|이름5=Daniel|성6=Coish|이름6=William A.|성7=Harlander|이름7=Maximilian|성8=Hänsel|이름8=Wolfgang|성9=Hennrich|이름9=Markus}}</ref><ref>{{저널 인용|제목=Electromagnetic traps for charged and neutral particles|저널=Reviews of Modern Physics|성=Paul|이름=Wolfgang|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.62.531|날짜=1990-07-01|권=62|호=3|쪽=531–540|언어=en|doi=10.1103/RevModPhys.62.531|issn=0034-6861}}</ref>

== 파울(Paul) 이온 덫 ==
[[파일:Linear-Paul-trap Schindler NJP15.123012.jpg|섬네일|고전적 직선형 파울 덫 - 일련의 칼슘 이온을 위한 인스부르크에서]]
포획된 이온 양자컴퓨팅 연구에서 현재 사용되는 전기역학적 [[:en:Ion_trap|이온 덫]]은 1950년대에 [[볼프강 파울]] (Wolfgang Paul, 1989년 [[노벨상]] 수상<ref>{{웹 인용|url=http://nobelprize.org/physics/laureates/1989/illpres/trap.html|제목=|성=|이름=|날짜=|웹사이트=|출판사=|확인날짜=}}</ref>)이 발명하였다. [[언쇼 정리|언쇼의 정리]](Earnshaw's theorem) 때문에 대전입자는 정전기력만에 의해서는 3차원 공간에 포획될 수 없다. 대신 [[무선주파수]](RF)에서 진동하는 전기장이 적용되며 RF에서 회전하는 안장 형태의 퍼텐셜을 형성한다. RF장이 알맞은 파라미터(진동의 주파수와 장의 강도)를 가지면, 대전입자는 [[복원력]]에 의한 [[안장점]]에서 일련의 [[:en:Mathieu_function|매튜 방정식]]에 의해 기술되는 운동을 하며 효율적으로 포획된다.<ref name=":0">{{서적 인용|url=https://www.worldcat.org/oclc/665137861|제목=Quantum computation and quantum information|성=Nielsen, Michael A., 1974-|날짜=2010|판=10th anniversary ed|출판사=Cambridge University Press|위치=Cambridge|isbn=9781107002173}}</ref>

이 안장점은 퍼텐셜 장 안에 있는 이온들의 에너지 규모 <math>\left\vert E(\vec{x}) \right\vert</math>가 최소가 되는 지점이다.<ref>{{웹 인용|url=https://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group/intro-to-ion-trap-qc|제목=Introduction to Ion Trap Quantum Computing {{!}} University of Oxford Department of Physics|확인날짜=2019-06-08}}</ref> 파울 덫은 종종 이온을 보편성의 소실 없이 <math>\widehat{x}</math>와 <math>\widehat{y}</math>를 취하는 2차원 공간에서 포획하며 <math>\widehat{z}</math>방향의 이온은 포획하지 않는 조화 퍼텐셜 우물로 표현된다. 다중의 이온이 안장점에 있고 계가 평형상태에 있을 때, 이온들은 오직 <math>\widehat{z}</math>에서만 움직임이 자유롭다. 따라서 이온들은 서로 반발할 것이며, 오직 약간의 이온들의 직선 외가닥이 되는 가장 단순한 경우인, <math>\widehat{z}</math>에서의 수직적 구성을 만들어낼 것이다.<ref name=":1">{{저널 인용|제목=Quantum Computing with Trapped Ion Hyperfine Qubits|저널=Quantum Information Processing|성=Blinov|이름=B. B.|성2=Leibfried|이름2=D.|url=http://link.springer.com/10.1007/s11128-004-9417-3|날짜=2004-10|권=3|호=1-5|쪽=45–59|언어=en|doi=10.1007/s11128-004-9417-3|issn=1570-0755|성3=Monroe|이름3=C.|성4=Wineland|이름4=D. J.}}</ref> 많은 이온들이 동일한 덫에서 초기화되면, 복잡성 증가의 쿨롱 상호작용은 더욱 뒤얽힌 이온 구성을 만들 것이다.<ref name=":0" /> 더불어 추가된 이온들의 추가적 진동이 초기화와 계산을 더욱 어렵게 만드는 양자 시스템을 상당히 복잡하게 만든다.<ref name=":1" />

일단 포획되면 이온들은 <math>k_BT<<\hbar\omega_z</math>([[:en:Lamb_Dicke_regime|Lamb Dicke regime]] 참고)할 정도로 많이 냉각되어야 한다. 이것은 [[:en:Doppler_cooling|도플러 냉각]](Doppler cooling)과 [[:en:Resolved_sideband_cooling|분해된 측파대 냉각]](Resolved sideband cooling)의 결합으로써 달성될 수 있다. 이런 매우 낮은 온도에서 이온 덫 내부의 진동 에너지는, 질량 진동 모드의 중심이라고 불리는, 이온 외가닥의 에너지 고유 상태에 의해 [[음향양자|음자]](phonon)로 [[양자화 (물리학)|양자화]]된다. 단일 음자의 에너지는 <math>\hbar\omega_z</math>관계에 의해 주어진다. 이런 양자 상태는 포획된 이온들이 외부로부터 완전히 고립되어 함께 진동할 때 발생한다. 만약 이온들이 완전히 고립되지 않는다면, 임의적인 움직임을 만들어내고 양자화된 에너지 상태를 붕괴시키는 외부의 전자기장과 상호작용하는, 이온들로부터 잡음이 발생할 수 있다.<ref name=":0" />

== 각주 ==
{{각주}}

[[분류:양자정보과학]]