Pasqal의 256큐비트 프로세서, 이론이 예측하지 못한 양자 자석의 이완 지연 발견

Pasqal이 주도한 프리프린트는 256개 중성 원자로 이뤄진 2차원 양자 자석에서 예상치 못한 이완 지연을 보고했다. 이 영역에서 세 가지 텐서 네트워크 방법은 정확도를 잃는다.

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Pasqal은 자사의 256큐비트 중성 원자 프로세서가 현재 이론으로는 예상하지 못한 2차원 양자 자석의 거동을 밝혀냈다고 밝혔다. Flatiron Institute의 Center for Computational Quantum Physics, 아우크스부르크 대학교, Forschungszentrum Jülich, 레겐스부르크 대학교, Institut d'Optique–CNRS와 함께 작성한 프리프린트에서 연구팀은 특정 조건에서 자석이 갑작스러운 교란 이후 안정되기까지 예상보다 훨씬 오래 걸리며, 이 영역에서는 주요 고전 시뮬레이션 방법들이 서로 일치하지 않게 된다고 보고했다.

발표 내용

Pasqal은 10월 27일 이 결과를 발표하고 arXiv에 논문 Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor를 공개했다. 회사는 이를 양자 프로세서로 알려진 물리를 재현하는 단계에서 연구자들이 예상하지 못한 거동을 발견하는 단계로의 전환이라고 설명한다. 이번 연구는 같은 장비가 실제 자성 결정의 거동을 재현했던 이전 연구에 이어진 것이다.

기술적 세부 사항

실험에서는 루비듐-87 원자 256개를 16×16 정사각 격자에 배열하고, 각 원자의 바닥 상태와 리드베리 상태를 큐비트로 사용했다. 시스템은 자성의 기준 모델 중 하나인 2차원 횡자기장 이징 모델을 시뮬레이션했다. 연구진은 완전히 편극된 상태에서 출발해 해밀토니안을 갑자기 바꾸는 이른바 '퀜치'를 가한 뒤, 횡자기장과 상호작용 세기의 비율을 바꿔 가며 상관관계가 어떻게 이완되는지 관찰했다.

세 가지 영역이 확인됐다. 비율이 약 2.5인 동적 상전이 부근에서는 계가 빠르게 열평형에 도달했다. 6.0의 강한 자기장에서는 유효 XY형 모델로 설명되는 오래 지속되는 전열화 평탄 구간에 머물렀다. 중간값인 3.5에서는 이완이 눈에 띄게 느려져, 상관관계가 통상의 시간 척도보다 훨씬 오래 열평형 값에서 멀리 떨어져 있었다. 저자들은 이 지연에 대한 명확한 설명은 아직 없다고 썼다.

데이터를 검증하기 위해 연구팀은 2차원 텐서 네트워크, 행렬곱 상태, 트리 텐서 네트워크 등 세 가지 텐서 네트워크 방법과 비교했다. 세 방법 모두 초기에는 프로세서와 일치했지만 이후 측정값과도, 서로 간에도 어긋났다. 프로세서의 결과는 계의 크기가 커져도 일관성을 유지했다. 잡음 모델링, 측정 오류 보정, 5×5 격자에서의 정확한 시뮬레이션은 모두 이 지연이 하드웨어 결함이 아니라 다체 물리를 반영한다는 결론을 뒷받침했다.

왜 중요한가

상호작용하는 양자계가 2차원에서 평형과 먼 상태로부터 어떻게 이완되는지는 어려운 미해결 문제이며, 아날로그 양자 시뮬레이터가 유용할 것으로 기대되는 바로 그런 질문이다. Pasqal과 협력 기관들은 이번 연구가 양자 계산 우위를 입증하는 것은 아니라고 분명히 밝혔다. 대신 이론과 고전적 수치 방법이 어려움을 겪는 곳에서 이런 프로세서가 보완적인 과학 도구가 될 수 있다는 증거로 제시했다.

Pasqal의 CTO Loïc Henriet는 "우리는 이미 알고 있는 것을 재현하는 데 그치지 않고, 예상하지 못한 거동을 발견하고 있다"고 말했다.

주목할 점

논문은 프리프린트이므로 다음 단계는 동료 심사와, 실험 및 계산 분야의 다른 그룹들이 이 지연을 설명하려는 시도다. 저자들은 자신들이 제시한 미해결 질문을 다루는 핵심 플랫폼으로 리드베리 원자 배열을 꼽았으며, 결맞음 시간의 지속적인 개선이 체계적인 유한 크기 및 유한 시간 스케일링 분석의 길을 연다고 밝혔다.