양자기계

Quantum machine
양자 컴퓨터와 혼동하지 않기 위해서입니다.
사진 오코넬이 개발한 양자기계 기계적 공진기는 커플링 캐패시터의 좌측 하단(작은 흰색 사각형)에 위치한다. 쿼빗은 커플링 캐패시터의 우측 상단에 연결된다.

양자 기계는 인간이 만든 장치로, 집단운동이 양자역학의 법칙을 따른다. 거시적인 물체가 양자역학의 법칙을 따를 수도 있다는 생각은 20세기 초의 양자역학의 출현으로 거슬러 올라간다.[1][2] 그러나 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험에서 강조했듯이, 양자 효과는 대규모 물체에서는 쉽게 관찰할 수 없다.[citation needed] 결과적으로 양자 운동 상태는 극히 낮은 온도에서 특수한 상황에서만 관측되었다. 거시적 물체에서 양자 효과의 파괴한도는 급속한 양자 해독에서 발생할 수 있다.[3] 연구자들은 2009년 최초의 양자 기계를 만들었고, 이 성과는 2010년 사이언스로부터 '올해의 돌파구'로 선정되었다.

역사

필름 벌크 음향 공명기의 전자 마이크로그래프 스캔. 공명기의 기계 작동 부분은 전기 연결 역할을 하는 두 개의 금속 리드에 의해 왼쪽으로 지지된다.

최초의 양자 기계는 2009년 8월 4일에 아론 D에 의해 만들어졌다. 오코넬은 샌타바바라 캘리포니아 대학에서 앤드류 N.클렐랜드와 존 M.마티니스의 지도 아래 박사학위를 추구하던 중. 오코넬과 그의 동료들은 작은 스프링보드와 비슷한 기계적인 공명기와 동시에 두 양자 상태의 중첩에 있을 수 있는 장치인 쿼빗을 결합했다. 그들은 공명기를 작은 양과 큰 양을 동시에 진동시킬 수 있었는데, 이는 고전 물리학에서는 불가능한 효과였다. 기계 공진기는 육안으로 볼 수 있을 정도로 크기만 했다. 인간의 머리카락 너비만큼 길었다.[4] 이 획기적인 연구는 이후 2010년 3월 네이처지에 발표되었다.[5] 사이언스지는 최초의 양자기계 창조를 2010년의 '올해의 돌파구'로 선언했다.[6]

접지 상태까지의 냉각

양자역학적 행동을 입증하기 위해서는 먼저 기계적 공명기가 양자지반 상태(가능한 에너지가 가장 낮은 상태)가 될 때까지 냉각시킬 필요가 있었다. 구체적으로 온도 ≪h f {이(가)[a] 필요했는데 서 h 은 Planck Constant, 은 공명기의 주파수, k은 볼트만 상수이다. 예를 들어, 1 MHz 공진기는 50 μK의 극도로 낮은 온도로 냉각되어야 하기 때문에 이전 연구팀들은 이 단계에서 어려움을 겪었다.[7] 오코넬의 팀은 훨씬 더 높은 공명 주파수(6GHz)[5]로 다른 유형의 공명기, 즉 필름 벌크 어쿠스틱 공명기를 제작하여 온도(상대적으로 ~ 0.1K)가 높을 때 지상에 도달했다. 이 온도는 희석 냉장고로 쉽게 도달할 수 있었다.[5] 실험에서 공명기는 25mK로 냉각되었다.[5]

양자 상태 제어

필름 벌크 어쿠스틱 공명기는 압전소재로 만들어졌고, 그래서 그것의 변화된 모양을 진동시킬 때 변화하는 전기 신호를 만들어 냈고, 반대로 전기 신호는 그것의 진동에 영향을 줄 수 있었다. 이 특성은 공진기를 양자 상태를 정확하게 제어할 수 있는 양자 컴퓨팅에 사용되는 장치인 초전도 위상 쿼빗과 결합할 수 있게 했다.

양자역학에서 진동은 음소라고 불리는 기본적인 진동으로 이루어져 있다. 공명기를 그 접지 상태로 냉각시키는 것은 모든 음소를 제거하는 것과 동등하다고 볼 수 있다. 그 팀은 그 후 개별적인 음소를 쿼비트에서 공명기로 옮길 수 있었다. 팀은 또한 쿼빗이 동시에 두 개의 상태 중첩에 있는 중첩 상태를 기계 공명기에 전달할 수 있었다.[8] 미국과학진흥협회에 따르면 이는 이 공명기가 "문학적으로 약간, 동시에 많이 진동했다"는 것을 의미한다.[9] 그 진동은 외부의 파괴적인 영향에 의해 분해되기 전까지 불과 몇 나노초 동안 지속되었다.[10] 연구팀은 네이처 논문에서 "이번 실증실험은 육안으로 볼 수 있을 정도로 큰 기계적인 물체에 양자역학이 적용된다는 강력한 증거를 제공한다"고 결론지었다.[5]

메모들

^a: 오실레이터의 접지 상태 에너지는 주파수에 비례한다. 양자 고조파 오실레이터 참조.

참조

  1. ^ Schrödinger, E. (1935). "The present situation in quantum mechanics". Naturwissenschaften. 23 (48): 807–812, 823–828, 844–849. Bibcode:1935NW.....23..807S. doi:10.1007/BF01491891. S2CID 206795705.
  2. ^ Leggett, A. J. (2002). "Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospects". J. Phys.: Condens. Matter. 14 (15): R415–R451. Bibcode:2002JPCM...14R.415L. CiteSeerX 10.1.1.205.4849. doi:10.1088/0953-8984/14/15/201..
  3. ^ Zurek, W. H. (2003). "Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical". Reviews of Modern Physics. 75 (3): 715–765. arXiv:quant-ph/0105127. Bibcode:2003RvMP...75..715Z. doi:10.1103/RevModPhys.75.715. S2CID 14759237.
  4. ^ Boyle, Alan. "The year in science: a quantum leap". MSNBC. Archived from the original on 2010-12-19. Retrieved 2010-12-23.
  5. ^ a b c d e O’Connell, A. D.; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, R. C.; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D.; et al. (2010). "Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator". Nature. 464 (7289): 697–703. Bibcode:2010Natur.464..697O. doi:10.1038/nature08967. PMID 20237473. S2CID 4412475.
  6. ^ Cho, Adrian (2010). "Breakthrough of the Year: The First Quantum Machine". Science. 330 (6011): 1604. Bibcode:2010Sci...330.1604C. doi:10.1126/science.330.6011.1604. PMID 21163978.
  7. ^ Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf 웨이백 머신에 2016-05-12 보관
  8. ^ 마르쿠스 아스펠마이어, "양자역학: 파도타기 시작", 네이처 464, 685–686(2010년 4월 1일)
  9. ^ 브랜든 브린 "사이언스: 2010년의 돌파구 및 10년의 통찰력", 2010년 12월 16일 미국과학진흥협회
  10. ^ Richard Webb, 2010년 3월 17일 New Scientist, "보이는 물체에서 보이는 최초의 양자 효과"

외부 링크