결어긋남(Decoherence)란?

큐비트가 주위 환경과 상호 작용함으로써 중첩의 위상이나 에너지 정보가 사라지고, 양자적인 성질이 무너져 가는 현상. 에너지 완화 시간 T1과 위상 완화 시간 T2로 그 속도를 나타낸다.

일본어 명칭: デコヒーレンス

결어긋남(Decoherence)은(는) 양자 컴퓨터의 하드웨어 등 1개 분야의 연습 문제 1개에 나와요.

T1과 T2

T1(에너지 완화 시간)은 |1⟩의 큐비트가 에너지를 잃고 |0⟩으로 돌아갈 때까지의 시정수입니다. T2(위상 완화 시간)는 중첩 α|0⟩ + β|1⟩의 상대 위상 정보가 사라질 때까지의 시간으로, 1/T2 = 1/(2T1) + 1/Tφ의 관계가 있으므로 T2 ≤ 2T1이 됩니다(Tφ는 순수한 위상 완화 시간). T1은 에너지의 소산, Tφ는 큐비트 주파수의 요동으로 정해지며, 둘 다 주위 환경과의 미약한 상호 작용이 원인입니다.

주요 원인

초전도 큐비트에서는 표면이나 계면의 비정질 산화막에 있는 2준위계(TLS) 결함에 의한 유전 손실, 배선을 통해 들어오는 열잡음, 자속이나 전하의 잡음, 초전도가 깨져 생기는 준입자 등이 주요 원인입니다. 우주선 등의 방사선이 칩의 넓은 범위에 동시에 오류를 일으키는 것도 보고되어 있습니다. 실리콘 스핀 큐비트에서는 ²⁹Si의 핵스핀이나 전하의 잡음이, 이온이나 중성 원자에서는 레이저의 잡음이나 자기장의 요동이 문제가 됩니다. 그래서 재료, 제조 공정, 차폐, 배선의 필터 등 하드웨어의 모든 부분에서 궁리가 필요합니다.

결어긋남과 계산의 깊이

중요한 것은 결맞음 시간과 게이트 시간의 비입니다. T2가 100 µs, 게이트 시간이 50 ns라면 그 비는 2,000으로, 오류 정정 없이 실행할 수 있는 조작 수의 대략적인 상한 기준이 됩니다(실제로는 게이트 자체의 오류도 더해집니다). 양자 오류 정정은 결어긋남에 의한 오류를 검출하고 고치면서 계산을 계속하기 위한 기술로, 물리적인 오류율이 임계값보다 충분히 낮은 것이 전제가 됩니다.

도전해 보기: 결어긋남(Decoherence) 관련 문제

큐비트의 에너지 완화 시간 T1에 대한 설명으로 올바른 것은?

A1회의 양자 게이트 조작에 걸리는 시간
B들뜬 상태 |1⟩이 에너지를 주위에 잃고 바닥 상태 |0⟩으로 돌아갈 때까지의 특성 시간
C냉동기가 실온에서 동작 온도까지 큐비트를 냉각하는 데 걸리는 시간

정답과 해설 보기

정답: B. 들뜬 상태 |1⟩이 에너지를 주위에 잃고 바닥 상태 |0⟩으로 돌아갈 때까지의 특성 시간

T1은 |1⟩로 준비한 큐비트가 에너지를 잃고 |0⟩으로 돌아가는 과정의 시정수로, |1⟩에 있을 확률은 대략 exp(−t/T1)로 줄어 갑니다. 초전도 큐비트에서는 배선이나 기판, 표면의 결함 등으로 에너지가 빠져나가는 것이 주된 원인입니다. 중첩의 위상 정보가 사라질 때까지의 시간 T2와 함께, 큐비트가 정보를 유지할 수 있는 길이의 지표가 됩니다. T1이나 T2가 유한해지는 것은 큐비트가 주위 환경과 상호 작용하여 양자적인 성질을 잃는 결어긋남 때문이며, 계산을 올바르게 수행하려면 게이트 시간이 T1이나 T2보다 훨씬 짧아야 합니다.

자주 묻는 질문

결어긋남을 완전히 없앨 수 있나요?

없앨 수 없습니다. 큐비트를 조작하고 측정하려면 외부와 연결되어야 하며, 그 연결을 통해 환경의 영향도 받기 때문입니다. 그래서 결맞음 시간을 늘리는 노력과, 남은 오류를 양자 오류 정정으로 고치는 것을 조합합니다.

결맞음 시간이 긴 방식일수록 우수한가요?

그것만으로는 정해지지 않습니다. 이온 트랩 방식은 초 단위 이상의 결맞음 시간을 갖는 경우가 있지만 게이트도 느리므로, 비교해야 할 것은 결맞음 시간과 게이트 시간의 비, 그리고 게이트 충실도입니다.

해설 속 결어긋남(Decoherence)

T1이나 T2가 유한해지는 것은 큐비트가 주위 환경과 상호 작용하여 양자적인 성질을 잃는 결어긋남 때문이며, 계산을 올바르게 수행하려면 게이트 시간이 T1이나 T2보다 훨씬 짧아야 합니다.
큐비트의 에너지 완화 시간 T1에 대한 설명으로 올바른 것은?

결어긋남(Decoherence)이(가) 나오는 문제 (1)

큐비트의 에너지 완화 시간 T1에 대한 설명으로 올바른 것은?