중성 원자 기반 편집하기 (부분)

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='''리드버그 원자 기반 양자 컴퓨팅'''=

[[File:중성원자 리드버그.jpg|none|thumb|400px|리드버그 양자 시뮬레이터 개념도. ]]

리드버그 원자는 하나 이상의 전자가 매우 높은 주 양자수로 들떠 있는 상태의 원자를 말한다. 주 양자수가 매우 큰 에너지 상태이기 때문에 원자의 크기가 매우 크다. 주 양자수가 100인 리드버그 원자의 크기는 마이크로 미터 정도에 육박하게 된다. 리드버그 원자는 기저상태로 전이하는 확률이 작으며 자발 방출로 붕괴하는 시간은 밀리 초 정도이다.

리드버그 원자는 수소 원자와 비슷하게 기술할 수 있으며 양자 결손(quantum defect)이라고 부르는 상수만큼의 에너지 준위 차이를 갖게 된다. 이 양자 결손은 주 양자수와 각운동량 양자수에 따라 다르게 주어지며 내각 전자의 수가 큰 원자일수록 양자 결손의 값이 커진다.

리드버그 원자는 높은 에너지 준위의 분광학연구에서 시작되었으며 광-자기 포획(MOT)의 발달과 함께 양자 정보에 관련된 연구로 발전하게 되었다.

==장치 구성 및 특징==
광 자기 포획으로 포획, 냉각된 중성 원자를 자기장 포획 우물이나 광학적 포획 우물로 포획한 후 리드버그 원자를 생성한다. 리드버그 원자를 생성하기 위해 기저 준위의 전자를 들뜬 상태로 만들어야 한다. 이 경우 그 에너지 차이에 해당하는 레이저를 쏘아줄 수 있으나, 이 경우 주파수가 UV 파장이기 때문에 필요한 강한 세기의 레이저를 구하기가 쉽지 않다. 일반적으로는 이광자(two-photon) 흡수를 통해 리드버그 원자를 만들게 된다. 예를 들어 루비듐(Rb) 원자의 경우 도플러 냉각에 이용한 780 nm 레이저를 이용하여 5S1/2 에서 5P3/2 로 전이시킨 후 480 nm 레이저를 이용하여 5P3/2 에서 97d5/2 상태로 전이시켜 리드버그 원자를 생성할 수 있다

==원리==
===원자 어레이 준비===
[[File:기술백서 전체수정_54_편집.jpg|none|thumb|480px|리드버그 원자 실험 개요도.<ref name="Saffman2">Saffman, M., Walker, T. G., &amp; Mølmer, K., Quantum information with Rydberg atoms, Reviews of Modern Physics '''82''', 2313 (2010). doi:[https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.2313 10.1103/RevModPhys.82.2313].</ref>]]중성 원자의 경우 광격자를 이용하여 단일 원자 큐비트를 생성할 수 있는데, 리드버그 원자의 경우도 광격자를 이용하여 포획된 원자에서 선택적으로 큐비트를 생성하거나, 주변 원자와의 다양한 게이트 조작(Operation)을 이용하여 다양한 [[양자 시뮬레이션]]을 수행한다.

하나의 제어 원자로 주변의 타겟 원자 상태를 조작하는(CNOT)k [[게이트]]나 그 반대의 경우인 CkNOT 게이트, 여러 개의 원자 사이의 리드버그 상태를 공유하는 [[양자 중첩(Entanglement)]]등을 구현할 수 있다.

===리드버그 봉쇄(Blockade)===
리드버그 원자의 강한 정전기 상호작용(electrostatic interaction)은 주변의 원자들에게 간섭 작용을 일으키면서 원자의 에너지 레벨을 변화시킨다. 리드버그 원자 주변의 원자는 에너지 레벨이 변경되었기 때문에 같은 전이 레이저에 대해 반응하지 않게 되며, 들뜬 상태로 전이가 되지 않게 된다. 즉, 리드버그 원자의 일정 거리 안에서는 다른 리드버그 원자가 생기지 않게 되는 것이다. 이를 excitation blockade 혹은 dipole blockade라 부르며 리드버그 원자를 양자 정보에 사용할 수 있는 기본 배경이 된다.

==양자 게이트==
[[File:기술백서 전체수정_53_편집.jpg|none|thumb|280px|<nowiki>리드버그 원자의 excitation blockade를 이용한 CNOT게이트 구현. a) 제어 원자가 $$|0</nowiki>&gt;<nowiki>$$ 상태에 있을 경우 excitation laser의 파이 펄스에 의해 리드버그 상태가 되지 않으며 타겟 원자는 $$|1</nowiki>&gt;<nowiki>$$ 과 $$|r</nowiki>&gt;<nowiki>$$ 사이의 라비 진동을 관측할 수 있다. b) 제어 원자가 $$|1</nowiki>&gt;$$ 상태에 있을 경우 원자는 리드버그 상태가 되므로 타겟 원자는 항상 기저 준위에 있게 된다.<ref name="Saffman2">Saffman, M., Walker, T. G., &amp; Mølmer, K., Quantum information with Rydberg atoms, Reviews of Modern Physics '''82''', 2313 (2010).</ref> ]]리드버그 원자에서만 볼 수 있는 excitation blockade를 이용하여 CNOT [[게이트]]를 구현할 수 있다.<ref name="Jaksch">Jaksch, D., Cirac, J. I., Zoller, P., Rolston, S. L., Côté, R., &amp; Lukin, M. D., Fast quantum gates for neutral atoms, Physical Review Letters '''85''', 2208 (2000). doi:[https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.2208 10.1103/PhysRevLett.85.2208].</ref> 제어하는 중성 원자가 리드버그 상태인지에 따라 그 이웃 원자의 리드버그 상태를 조절할 수 있으므로 이를 이용하여 [[게이트]]를 구현하게 된다.

=='''개발 현황'''==
중성 원자 플랫폼은 [[이온 트랩]]과는 달리, 전하를 띠지 않는 중성 원자를 사용하여 [[양자 컴퓨팅]]을 구현한다. 각 원자들이 전하를 띠지 않기 때문에 원자들 간 상호작용이 약하다는 단점이 존재하지만, 반대로 이러한 특성 덕분에 대규모의 원자들을 [[중성 원자 기반#광 격자 (Optical Lattices)|광학 격자]]나 광집게를 사용하여 안정하게 포획할 수 있다. 이러한 장점으로 인하여 양자 다체계에서 나타나는 양자 상전이, 양자 홀 효과 등의 물성을 양자 시뮬레이션 할 수 있는 플랫폼으로서 기대되고 있다. 중성 원자의 경우 Pasqal 등의 기업이 본격적인 하드웨어 플랫폼 개발에 착수 중이며, 수많은 대학에서도 [[중성 원자 기반|중성 원자]]를 이용한 양자 컴퓨팅 연구가 이루어지고 있다.
===하드웨어 개발 현황===
[[File:양자 기술백서_image94.png|none|thumb|400px|Pasqal에서 개발하고 있는 양자 시뮬레이터.]]중성 원자 플랫폼의 경우 원자간 상호작용의 세기가 약해서 모든 원자간 연결성이 보장되지 못하다는 단점이 있다. 하지만 최근 [[중성 원자 기반#리드버그 원자 (Rydberg Atoms)|리드버그 중성 원자]]를 활용하여 원자간 상호작용의 세기를 높여, 중성 원자를 [[양자 컴퓨팅]] 및 [[양자 시뮬레이션|시뮬레이션]] 플랫폼으로서 활용하려는 시도들이 이루어지고 있다. 아직까지 [[이온 트랩]]만큼의 하드웨어 개발이 진행되지는 않았지만, 일부 기업들을 중심으로 하드웨어 개발이 꾸준히 진행 중이다. 대표적으로 Pasqal 등의 기업에서 현재 100개의 중성 원자 큐비트를 사용하는 양자 시뮬레이터의 개발이 이루어진 상태이다. 이러한 Pasqal의 중성 원자 플랫폼은 bosonic SSH model의 양자 시뮬레이션, Maximum Independent Set(MIS)의 최적화 문제를 푸는 등에 활용되고 있다.

Pasqal 등의 기업 이외에도, Harvard, Caltech 등의 대학에서도 중성 원자를 활용한 [[양자 컴퓨팅]] 및 [[양자 시뮬레이션|시뮬레이션]] 하드웨어 플랫폼이 활발히 연구되고 있다. 대표적으로 2017년 Harvard 대학을 중심으로 51개의 리드버그 중성 원자 양자 시뮬레이터를 활용한 Ising-type 양자 스핀 모델에 대한 양자 시뮬레이션 연구가 이루어졌다. 또한 2018년 Harvard 대학과 Caltech을 중심으로 리드버그 중성 원자들을 활용한 얽힘 실험에서 97% 이상의 [[피델리티]]를 보이는 동시에 수십 us 정도의 결맞음 시간이 달성되기도 하였다. <ref>Serret, M. F., Marchand, B., &amp; Ayral, T., Solving optimization problems with Rydberg analog quantum computers: Realistic requirements for quantum advantage using noisy simulation and classical benchmarks, Physical Review A '''102''', 052617 (2020). doi:[https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.052617 10.1103/PhysRevA.102.052617].</ref><ref>Wright, K., Beck, K. M., Debnath, S., Amini, J. M., Nam, Y., Grzesiak, N., ... &amp; Hudek, K. M., Benchmarking an 11-qubit quantum computer, Nature Communications '''10''', 1 (2019). doi:[https://doi.org/10.1038/s41467-019-13534-2 10.1038/s41467-019-13534-2].</ref><ref>Wang, P., Luan, C. Y., Qiao, M., Um, M., Zhang, J., Wang, Y., ... &amp; Kim, K., Single ion-qubit exceeding one hour coherence time, Nature Communications '''12''', 233 (2021). doi:[https://doi.org/10.1038/s41467-020-20330-w 10.1038/s41467-020-20330-w].</ref>

다음은 리드버그 원자 어레이를 이용하여 양자컴퓨터 솔루션을 개발하고 있는 회사들이다.

*[https://www.quera.com QuEra]
*[https://atom-computing.com Atom-computing]
*[https://pasqal.io Pasqal]
*[https://coldquanta.com Cold quanta]

요약:

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