양자 다물체 시뮬레이션 및 양자 복제 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09

중국과학원 물리 연구소 산하 `베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음)` 소속 `응집물질 이론 및 계산 중점 실험실`의 판헝(范桁) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 양자 정보와 양자 계산 등 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 미국 물리학회(APS)가 발행하는 권위 있는 온라인 학술지 ‘피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)`, 물리학 분야 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’, 물리학 분야 국제 학술지인 `피지컬 리포트(Physical Report)`에 발표되었다. 양자 계산과 양자 정보 처리는 과학자들이 양자 역학의 중첩(Superposition)성 및 양자 얽힘(Quantum entanglement) 등 특성을 이용하고 양자 상태에 대한 조종 제어를 통해 정보 처리 임무를 실현하는 방법이 된다. 그 중 양자 계산의 목적 중 하나는 일종 보편적인 양자 시뮬레이터를 구축하는 것인데, 이런 시뮬레이터를 통해 인공 제어 가능한 양자 시스템으로 다른 미지의 양자 시스템 시뮬레이션을 실현하고 있다. 단열양자계산(adiabatic quantum computing)은 일종 양자 계산을 실현하는 방법으로서 일종의 양자 시뮬레이션으로도 평가 받고 있다. 그 중 해결해야 할 문제의 답안은 한 개 양자 상태에 대응이 되는 동시에 한 개 초기 양자 상태로부터 단열 진화를 통해 얻게 된다. 최근 캐나다 D-Wave 회사는 단열양자계산의 원리를 이용하여 이미 양자 컴퓨팅을 개발하였다. 한 개의 양자 다물체 시스템이 전통 시스템(예를 들면 기존의 컴퓨팅)을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가 여부는 일종 일반적으로 적용되는 시스템으로 기타 다양하게 변화하는 양자 시스템을 시뮬레이션할 수 있는지 여부를 결정하게 된다. 전통적인 시스템으로 정밀 시뮬레이션될 수 있는 동시에 시뮬레이션에서 요구하는 계산과 저장 자원이 시스템의 증가에 따라 지수 성장을 하지 않게 된다면 이런 시스템은 전통적인 시스템과 동일하다고 평가할 수 있다. 그렇지 않을 경우는 한 개 실제적인 양자 시스템에 속한다고 할 수 있다. 때문에 양자 계산과 양자 시뮬레이션은 전통적인 시스템에 비해 우세를 보유하고 있다. 한 개 양자 시스템이 전통적인 우세를 초월할 수 있는지 여부에 대해서는 지금까지 정밀 연구가 실행되지 않은 상황이며 모든 과학자들이 인정하는 표준도 형성되지 않은 상황이다. 최근 중국과학원 물리 연구소 산하 `응집물질 이론 및 계산 중점 실험실`의 판헝(范桁) 연구원 연구팀은 독일 프라이 부르크 대학(University of Freiburg) 추이젠(崔健) 박사, 이탈리아 Franchini 박사 등 연구인원들과 공동 연구를 실행하고 시스템의 기본 상태 국지 변환 가능성과 변두리 상태의 특성을 이용하여 일종 양자 시뮬레이션이 양자 우세를 보유하고 있는지 여부에 대한 판정 방법을 제시하였다. 이런 판정 기준은 시스템의 기본 상태 양자 얽힘 특성과 국지 변환 가능성 간의 연계에 기반하고 있다. 국지 변환 가능성은 양자 상태가 효과적으로 시뮬레이션될 수 있다는 점을 의미하고 있다. 연구팀은 `1차원 가로 필드 이징 모델(One-dimensional transverse field Ising model)`의 유한 및 무한 길이 두 가지 상황에 대한 연구를 실행하고 유한 시스템의 얽힘 엔트로피(Entanglement entropy)의 특성이 다양한 양자 위상 속에서의 행위를 이용하여 다물체 양자 시스템의 존재가 효과적으로 시뮬레이션되거나 효과적으로 시뮬레이션되지 않는 두 가지 상황을 발견하였으며 그 중 양자 우세는 국지적인 변환을 할 수 없는 양자 위상에서 발생된다는 연구 결론을 도출하였다. 관련 연구 결과는 권위 있는 온라인 학술지 ‘피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)`에 발표되었다(Phys. Rev. X 4, 041028 (2014)). 에너지 밸리 시스템은 양자 시뮬레이션 및 양자 정보 처리에 있어서 이상적인 플랫폼 중 하나로 평가 받고 있으며 단일 층의 금속 디찰코게나이드(Metal dichalcogenides)는 벌집 상태 구조를 보유하고 있는 동시에 독특한 에너지 밸리 특성을 보유하고 있다. 그 외, 금속 원자의 강한 스핀 궤도 커플링을 보유하고 있기 때문에 시스템은 스핀 에너지 밸리 커플링의 풍부한 특성을 나타내며 양자 상태에 대해서는 효과적인 조정 제어와 판독을 실행할 수 있다. 홍콩대학 셰마오하이(謝茂海) 연구원 연구팀은 MBE 성장의 MoSe2 속에서 발견한 1차원 금속성 변두리 상태 모델 및 강도 파동 특성을 발견하였다. 판헝(范桁) 연구원 연구팀과 홍콩대학 야오왕(姚望) 교수 연구팀은 셰마오하이 연구원 연구팀의 관련 연구에 공동 참여하였다. 연구 인원들은 제1성 원리 방법을 이용하여 실험 상 변두리의 원자 구조를 확정하고 계산한 전자 구조 특성과 실험 결과가 일치하다는 점을 발견하였으며 관련 실험을 통해 관측한 강도 파동은 Moire 무늬와 양자 제한 효과에서 생성된다는 점을 입증하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 발표되었다(Phys. Rev. Lett.113, 066105 (2014)). 양자 정보 속의 양자 상태는 무한한 복사를 실행할 수 없는 상황으로서 양자 역학의 한 개 특수한 성격과 관련되어 있으며 이런 상황을 양자 비복제 원리라고 한다. 이런 원리는 양자 정보 속에서 폭넓게 응용되고 있는데, 예를 들면 양자 암호의 안전성은 이런 원리 상에 구축되어 있는 상황이다. 하지만 양자 비 복제 원리는 양자 상태의 근사 혹은 확률 타입 양자 복제를 양자 정보 처리와 양자 시뮬레이션의 중요한 과제로 선정하였는데 이런 과제는 모두 과학자들의 관심을 받고 있으며 이런 과제에 대한 관련 연구도 신속히 추진되고 있는 상황이다. 최근 판헝(范桁) 연구원, 대학원생 웨제둥(岳潔東), 베이징(北京)대학 무량주(穆良柱) 교수는 공동으로 `양자 복제 연구`라는 테마의 논문을 작성하여 국제 학술지인 `피지컬 리포트(Physical Report)`에 발표하였다(Phys. Rep. 544, 241 (2014)). 이번 논문을 통해 양자 복제 연구 동향과 최신 연구 결과를 소개하였으며 양자 복제의 다양한 형식을 정리하고 실험을 통해 취득한 새로운 연구 성과와 응용 연구 성과를 소개한 동시에 미래 연구 방향과 연구에서 존재하는 문제점에 대해 소개하였다. 이번 연구는 국가과학기술부, 국가자연과학기금위원회 및 국가혁신협동센터, 중국과학원의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 추진되었다. 그림 1. `1차원 가로 필드 이징 모델(One-dimensional transverse field Ising model)`은 이중 격자 점 마요라나 페르미온 모델(Bunk point Majorana fermion model)로 볼 수 있으며 두 가지 특성의 기본 상태 얽힘 엔트로피(Entanglement entropy)가 마요라나 페르미온 조합의 다양한 분류에 대응된다는 점을 표시하고 있음. 그림 2. 원격 양자 복제는 양자 상태로 배분되어 다양한 사용자들에게 제공되는 동시에 클라우드 컴퓨팅의 클라우드에 발송되며 Cloud X는 양자의 숨겨진 전송 상태 배분 양자 및 현지 사용자 C의 국지 변환을 통해 양자 상태를 취득할 수 있게 된다는 점을 표시함. 20141208.1.jpg 20141208.1-1.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141204_4267852.shtml