양자 시뮬레이션 (Quantum Simulation) 편집하기 (부분)

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= 아날로그(analog, 유사) 양자 시뮬레이션과 디지털(digital) 양자 시뮬레이션 =

양자 시뮬레이션에는 아날로그 양자 시뮬레이션(analog quantum simulation)과 디지털 양자 시뮬레이션(digital quantum simulation) 두 종류가 있다.<ref name=Georgescu>I. M. Georgescu, S. Ashhab, and F. Nori, Quantum simulation, Reviews of Modern Physics, '''86''', 153 (2014), doi:[https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.153 10.1103/RevModPhys.86.153].</ref>

아날로그 양자 시뮬레이션이란 하나의 양자 계를 이용하여 다른 알고 싶은 양자 계를 시뮬레이션 하는 것을 말한다. 바로 [[이온 트랩|포획된 이온(trapped ions)]]을 예로 들어보자. 기본적으로 레이저로 구성된 트랩 안에 있는 알칼리 원자는 다양한 에너지 준위를 가지고 있다. 하지만 이 에너지 준위 중에서 양자적으로 잘 통제할 수 있는 두 개의 준위를 고르면, 스핀-1/2 입자처럼 생각할 수 있다. 스핀-1/2 입자처럼 행동하는 원자들에 자기장을 걸어 서로 상호작용하도록 만들면 양자 아이징 모형(quantum Ising model)와 같은 양자 모형들을 구성할 수 있다. 따라서, 포획된 이온들을 이용하여 다른 양자 계를 시뮬레이션 할 수 있다. 아날로그 양자 시뮬레이션의 장점은 시뮬레이터가 자연적으로 평형상태에 도달하기 때문에 초기 양자 상태의 준비가 쉽다는 점이다. 또한 시뮬레이터의 물성 및 관련 정보들을 직접 측정하여 알 수 있다. 아날로그 양자 시뮬레이터는 정확한 분석적 방법(analytical method)으로부터 얻은 유효한 계산 결과, 또는 믿을 수 있는 [[고전 시뮬레이터]]의 결과와 비교 분석하여 그 신뢰성을 높일 수 있다. 하지만 이 분석 방법은 한정적이고 [[고전 시뮬레이터]]는 오차가 존재하기 때문에, 아직 양자시뮬레이터의 결과를 완전히 신뢰하기 위해서는 복잡한 검증 과정이 필요하다.

디지털 양자 시뮬레이션에 대해 말하기에 앞서, 양자 계를 구성하고 있는 스핀-1/2 입자를 [[큐비트]]로 고려해보자. 위의 양자 시뮬레이션 그림(그림 2)에서 해밀토니안을 포함하고 있는 유니타리 연산자(unitary operator)는 입자 전체에 대해 적용되는 연산자이다. 이 광역의 연산자는 단일 큐비트(single-qubit) 혹은 이중 큐비트(two-qubit)에 대한 유니타리 연산자들의 연속적인 시행으로 분해할 수 있다.<ref>이는 Trotter decomposition과 관련이 있다. Seth Lloyd, Universal Quantum Simulators, Science '''273''' 1073 (1996), doi:[https://10.1126/science.273.5278.1073 10.1126/science.273.5278.1073] 참고</ref> 단일 큐비트 게이트(single-qubit gate), 이중 큐비트 게이트(two-qubit gate)라고도 불리는 이 유니타리 연산자들과 큐비트들로 구성되어 있는 시스템을 [[양자 회로]]라고 부르고 이 회로 기반으로 수행되는 시뮬레이션을 디지털 양자 시뮬레이션이라고 부른다. 여기서 주목할만한 점은 모든 유니타리 연산자는 범용 양자 게이트(universal quantum gate)로 항상 분해할 수 있고 이로 인해 어떠한 계산도 가능해진다. 즉, 디지털 양자 시뮬레이션은 범용성을 지니고 있다. 이는 아날로그 양자 시뮬레이션과 가장 큰 차이점이다. 따라서 디지털 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있는 기기는 범용 양자 시뮬레이터(universal quantum simulator), 또는 범용 양자 컴퓨터(quantum computer)라고 말할 수 있다. 하지만 아직 실험상 모든 양자 게이트들의 구현 및 최종 양자 상태에 대한 측정이 완벽하진 않다.

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