이온 트랩 (Ion Trap) 편집하기 (부분)

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= 개요 =

== 이온 트랩을 이용한 양자 컴퓨팅==

Radio Frequency(RF) Paul 트랩은 동적인 전자기장을 이용하여, 전하를 띈 입자들을 포획하는 이온 트랩의 방법중의 하나이다. 이는 1980년대부터 이온 트랩에 사용되어 왔는데, 긴 트랩 시간, 트랩 이온의 양자 상태의 긴 [[결맞음]] 시간과 함께 이온 간 강한 쿨롱 상호작용이 가능하고, 레이저 및 마이크로파를 이용한 광학적인 방법으로 개개의 이온의 양자 상태를 제어하고 측정할 수 있다는 장점이 있어 지금까지 이온 트랩 기반의 양자실험에 많이 사용되어 왔다. 1995년, Cirac과 Zoller는 트랩된 이온의 양자 상태와 이온들간의 양자화된 운동(motional) 상태를 결합시켜 두 이온 큐비트들간의 CNOT [[게이트]]를 구현했는데<ref name = "Cirac1995">J. I Cirac and P. Zoller, ''Quantum computations with cold trapped ions,'' Physical Review Letters '''74''', 20 (1995), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.4091 </ref> 이후로 CNOT 게이트뿐만 아니라 이온들의 양자 얽힘을 만드는 다양한 [[양자 게이트]]들이 트랩된 이온들의 양자 상태와 운동 상태를 결합시키는 방식으로 구현되었다.

2021년 기준/현재 이온 트랩은 큰 스케일의 양자 컴퓨터를 구현하기 위한 가장 촉망받는 기술 중 하나이다. 이온 트랩 이용한 단일 큐비트 게이트 구현, 두 개의 큐비트 게이트 구현, 큐비트 상태 초기화, 큐비트 상태 측정은 양자오류정정 부호를 사용할 수 있을 만큼 높은 양자 충실도로 가능하다. 그러나, 실용적인 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 큐비트들의 갯수를 늘리면서도 컴퓨팅에 필요한 양자게이트들의 높은 충실도를 유지하는 연구가 필수적이다.<ref name = "Bruzewicz2019">C. D. Bruzewicz, J. Chiaverini, R. McConnell and J. M.Sage, ''Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges'', Applied Physics Reviews '''6''', 021314 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5088164. </ref>

== 이온 트랩의 큐비트의 종류 ==
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File:기술백서 전체수정_55.jpg|Optical Qubit의 에너지 레벨 예시.<ref name = "NASEM2019">National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, ''Quantum Computing: Progress and Prospects'' (National Academies Press, 2019).</ref>
File:기술백서 전체수정_56.jpg|Hyperfine Qubit의 에너지 레벨 예시.<ref name = "NASEM2019">National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, ''Quantum Computing: Progress and Prospects'' (National Academies Press, 2019).</ref>
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하이퍼파인 구조(hyperfine structure)는 원자에서 핵의 궤도를 돌고 있는 전자의 자기쌍극자(전자 스핀)과 전자의 각운동량 사이의 방향 차이에서 발생한 파인 구조에 핵자의 자기쌍극자(핵 스핀)의 방향 차이까지 고려한 미세한 에너지의 차이로 인해서 생긴다.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Hyperfine_structure</ref> 하이퍼파인 구조의 에너지 레벨은 외부 자기장의 변동에 1차 근사로 무관하기 때문에, 1~1000 초 정도의 상대적으로 긴 양자 결맞음 시간을 가진다.<ref name = "NASEM2019"/> 하이퍼파인 큐비트는 이온들의 하이퍼파인 상태들을 큐비트 상태로 사용하고 상태 간 에너지 차이는 GHz(기가헤르츠) 단위의 마이크로파 영역이어서 마이크로파를 이용한 에너지 상태의 전이가 가능하다. 다만, GHz 단위의 마이크로파의 파장은 수 센티미터에 해당되므로, 트랩된 이온들의 간격인 마이크로미터에 비해서 아주 크다. 따라서, 마이크로파를 이용하면 개개의 이온들에 대한 양자조작보다는 전체 이온들에 대한 조작이 가능하다. 트랩된 각각의 이온의 상태를 전이시키기 위해서는 레이저를 이용할 수 있다. 특히, 두 하이퍼파인 상태의 에너지 차이에 해당하는 주파수만큼 차이가 나는 레이저 두 개 또는 하나의 레이저의 주파수 빗살(frequency comb)를 이용한 라만 전이를 이용하여, 개개의 이온의 양자상태를 조작할 수 있다.

제이만 효과(Zeeman effect)는 원자가 외부 자기장에 놓여있을 때 에너지 레벨이 분리되는 현상이다. 해당하는 에너지 레벨의 차이는 MHz 단위이다. 제이만 큐비트는 제이만 효과로 분리된 두 에너지 레벨을 큐비트로 사용한다. 제이만 큐비트의 에너지 레벨은 외부 자기장의 세기에 의존하기 때문에 자기장의 변동이 양자 결맞음 시간을 줄이거나, 양자 게이트의 연산 에러를 만들 수 있는 문제가 있지만, 자기장의 세기를 안정화하는 방법을 통하여 양자게이트 연산의 에러를 줄일 수 있다.<ref name = "Brown2018">N. C. Brown and K. R. Brown, ''Comparing Zeeman qubits to hyperfine qubits in the context of the surface code: Yb+ 174 and Yb+ 171'', Physical Review A '''97''', 052301 (2018), https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.052301 </ref>

미세 구조는 비상대론적 슈뢰딩거 방정식에 상대론적 효과를 보정해주는 효과와 스핀-궤도 커플링에 의한 에너지 분리이다. 스핀-궤도 커플링은 전자의 궤도 운동에 의한 자기장과 전자의 자기 모멘트인 스핀의 상호작용으로 생긴다.<ref name= "Griffiths2018">D. J. Griffiths and D. F. Schroeter, ''Introduction to Quantum Mechanics'' (Cambridge University Press, 2018).</ref> 미세 구조에 의해서 분리된 두 에너지 레벨을 큐비트으로 사용하며, 해당 에너지 레벨의 차이는 THz 단위이다. <ref name= "Bruzewicz2019">Bruzewicz, C. D., Chiaverini, J., McConnell, R., &amp; Sage, J. M. (2019), “Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges”, ''Applied Physics Reviews'', ''6''(2) : 021314, https://doi.org/10.1063/1.5088164 </ref>

광학 큐비트는 이온의 바닥 상태와 준안정 들뜬 상태를 사용한다. 두 상태의 에너지 차이는 수백 THz 단위로 가시광선 영역의 빨간색 광학 레이저의 에너지 차이와 같다. 광학 큐비트는 99.9 퍼센트 보다 높은 효율로 준비와 측정이 가능하고 [[결맞음]] 시간은 1~30 초의 단위이다.<ref name = "NASEM2019"/>

== 이온 트랩의 장단점 ==

이온 트랩을 이용한 이온 큐비트가 다른 종류의 큐비트에 비해 갖는 대표적인 장점은 양자 결맞음 시간이 길다는 것이다. 하이퍼파인 큐비트는 스핀-에코나 다른 [[동적인 디커플링]] 없이도 50초 정도의 결맞음 시간을 갖고, [[동적인 디커플링]]을 이용하면 600초이상의 결맞음 시간이 가능하다. 두 개의 큐비트 양자 게이트 시간이 일반적으로 1에서 100 $$\mu s$$ 임을 생각하면 결맞음 시간과 게이트 시간의 비율은 $$\sim 10^{6}$$ 정도로 [[초전도 큐비트]](~$$10^{3}$$), [[리드버그 원자 큐비트]](~$$10^{2}$$)에 비해서 아주 크다.

또 다른 장점은 단일 큐비트 게이트와 두 개의 큐비트 양자 게이트가 아주 높은 충실도로 구현될 수 있다는 점이다. 단일 큐비트 게이트의 충실도는 99.9999% 이상으로 도달하였고, 이중 큐비트 얽힘 게이트의 충실도는 하이퍼파인 큐비트의 경우 99.9%에 도달하였고, 광학 큐비트의 경우 99.6%에 도달하였다. 이 정도의 충실도는 현재 초전도체 큐비트만 도달하였다.

상태의 초기화와 측정 또한 충실도가 높다. 200 $$\mu s$$ 보다 적은 측정 시간일 경우 99.99% 이상의 충실도에 도달하였고, 11 $$\mu s$$ 보다 적은 측정 시간일 경우 99.93%의 충실도에 도달하였다. 또한, 상태의 초기화와 측정을 한 번에 하는 경우 충실도는 99.93%의 충실도에 도달하였다. 또 다른 장점은 트랩된 이온들은 모두 양자상태의 구조 및 큐비트의 주파수가 동일하기 때문에 이온을 큐비트로 사용할 경우 시스템의 안정성이 높고, 양자게이트의 조작이 상대적으로 용이하다.

단점으로는 양자 게이트 시간 자체가 길다는 점이 있다. 높은 충실도의 두 개의 큐비트 게이트는 이온 트랩으로 수 십 $$\mu s$$에 구현이 되었는데, [[초전도체 큐비트]]의 경우 수 십$$ns$$에 가능하다. 이러한 상대적으로 느린 양자연산속도는 이온 트랩을 이용한 양자컴퓨팅 구현에 어려움들중의 하나로 생각되고 있다. 초단파 펄스를 이용하거나 pulse shaping을 이용해 게이트 시간을 줄이는 연구가 있었지만 2~20 $$\mu s$$ 사이의 시간으로만 줄이는 경우에도 양자 충실도가 76%에 불과하다. 또 다른 단점으로는 다른 플랫폼과 마찬가지로 큐비트의 개수를 100개 이상의 스케일로 늘리는데 여러가지 물리적인 한계점들이 존재한다는 것이다.<ref name="Bruzewicz2019">Bruzewicz, C. D., Chiaverini, J., McConnell, R., &amp; Sage, J. M. (2019), “Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges”, ''Applied Physics Reviews'', ''6''(2) : 021314, https://doi.org/10.1063/1.5088164 </ref>

요약:

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