수십 년간 양자 역학 예측 검증은 주요 실험적 과제였습니다. 최근 기술 발전으로 특정 계산 작업을 통해 비고전성을 입증하는 시연이 있었으나, 복잡성 이론 가정 의존, 하드웨어 노이즈 취약성, 비효율적인 검증 등의 한계로 확장성에 대한 의문이 제기되었습니다.
본 연구는 보완 샘플링 기반 게임을 통해 비고전성을 검증하는 새로운 방법을 제안합니다. 이 게임은 입력과 출력이 확률 분포 샘플을 나타낼 때 양자 및 고전 계산 간에 가능한 가장 큰 분리를 달성하며 효율적으로 검증 가능합니다.
특히, 번스타인-바지라니 문제에서 영감을 받은 입력 인스턴스로 제한할 경우, 계산적 난이도 가정 없이도 고전성의 기하급수적인 위반을 입증합니다. 우리는 Quantinuum System Model H2 트랩드 이온 양자 컴퓨터에서 최대 55 큐비트에 걸쳐 수천 개의 회로로 구성된 실험을 수행했습니다.
관찰된 점수는 양자 전략의 체계적인 채택으로 설명될 수 있으며, 이는 효율적이고 확장 가능한 방식으로 하드웨어의 양자적 특성을 더욱 확증합니다. 본 연구는 양자 우위의 강력한 증거를 제시하며, 미래 양자 기술 개발에 중요한 기반을 제공합니다.
양자 컴퓨팅에서 큐비트 상태의 온디맨드 초기화는 필수적인 전제 조건이다. 본 연구는 표면 코드 아키텍처와 호환되는, 튜너블 커플러로 쌍으로 연결된 고정 주파수 트랜스몬 큐비트 장치에서 이러한 초기화 프로토콜을 시연한다.
제안하는 방법론은 튜너블 커플러를 활용하여 원치 않는 큐비트 여기(excitation)를 큐비트의 판독 공진기로 전송하고, 이 여기는 다시 피드라인으로 감쇠된다. 이 과정은 다단계 큐비트 초기화, 누설 감소, 그리고 커플러 초기화를 포함하며 총 88나노초 만에 완료된다.
본 초기화 방식은 빠르고 무조건적이며, 99% 이상의 높은 충실도를 달성한다. 이는 고정 주파수 큐비트 아키텍처가 미래의 내결함성 양자 컴퓨터 구현에 적합함을 입증하는 중요한 결과이다.
본 연구는 노이즈가 있는 양자 장치에서 다전자 해밀토니안의 바닥 및 들뜬 상태 에너지를 계산하는 하이브리드 양자-고전 알고리즘인 양자 선택 컨피규레이션 상호작용(QS-CI)을 제안한다.
QS-CI는 양자 컴퓨터로 근사 바닥 상태를 준비한 후, 계산 기저에서 상태를 샘플링하여 바닥 상태 재현에 중요한 전자 컨피규레이션을 식별한다. 이렇게 선택된 중요 컨피규레이션들로 구성된 부분 공간에서 해밀토니안을 고전 컴퓨터로 대각화하여 바닥 상태 에너지와 해당 고유 벡터를 얻는다. 들뜬 상태 에너지도 유사한 방식으로 도출 가능하다.
이 방법은 노이즈가 있는 양자 장치를 부분 공간 정의에만 사용하므로 통계적 및 물리적 오류에 강건하다. 결과적인 바닥 상태 에너지는 오류 존재 시에도 변분 원리를 엄격히 만족한다. 또한, 부분 공간의 명시적인 고유 벡터를 알 수 있어 추가적인 양자 비용 없이 다양한 연산자의 기댓값을 추정할 수 있다.
수치 시뮬레이션과 8큐비트 분자 해밀토니안에 대한 양자 장치 시연을 통해 제안된 방법론의 타당성을 검증했다. 이 알고리즘은 수십 큐비트 양자 장치와 고성능 고전 컴퓨팅 자원을 활용하여 난해한 분자 문제를 해결할 잠재력을 가진다.
