출처: https://phys.org/news/2017-01-quantum-future-literally.html

Scientists at the University of Sydney have demonstrated the ability to "see" the future of quantum systems, and used that knowledge to preempt their demise, in a major achievement that could help bring the strange and powerful world of quantum technology closer to reality.

The applications of quantum-enabled technologies are compelling and already demonstrating significant impacts - especially in the realm of sensing and metrology. And the potential to build exceptionally powerful quantum computers using quantum bits, or qubits, is driving investment from the world's largest companies.

시드니대학교 연구진은 양자시스템의 미래를 관찰한 다음 이 지식을 사용하여 양자시스템의 붕괴를 방지하는데 성공했다. 이는 이상하고도 강력한 양자기술을 현실에 구현하는데 도움이 될 것으로 보인다. 양자기술은 센서와 계측 분야에서 이미 커다한 변화를 가져왔다. 그리고 지금 전세계의 대기업들은 양자비트(큐비트)에 기반한 양자컴퓨터를 구축하는데 대규모의 투자를 하고 있다.

However a significant obstacle to building reliable quantum technologies has been the randomisation of quantum systems by their environments, or decoherence, which effectively destroys the useful quantum character.

하지만 신뢰할 수 있는 양자기술을 구현하는데 있어서 가장 큰 걸림돌은 바로 주변 환경의 영향으로 인한 양자시스템의 랜덤화(또는 결잃음)이다. 이러한 랜덤화는 유용한 양자적 성질을 파괴한다.

The physicists have taken a technical quantum leap in addressing this, using techniques from big data to predict how quantum systems will change and then preventing the system's breakdown from occurring. The research is published today in Nature Communications.

시드니대학교 연구진은 빅데이터를 이용, 양자시스템이 어떻게 앞으로 변화할지를 예측한 다음 이 지식을 가지고 양자시스템의 붕괴를 박는데 성공했다. 해당 논문은 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되었다.

"Much the way the individual components in mobile phones will eventually fail, so too do quantum systems," said the paper's senior author Professor Michael J. Biercuk. "But in quantum technology the lifetime is generally measured in fractions of a second, rather than years."

논문의 수석 저자인 마이클 J. 비어쿡은 "휴대폰에 있는 개별 부품들이 결국 고장나는 것처럼 양자시스템도 이와 비슷합니다"라고 말했다. "하지만 양자기술에서 제품수명은 몇 년이 아니라 몇 분의 1초로 측정되지요"라고 그는 덧붙였다.

Professor Biercuk, from the University of Sydney's School of Physics and a chief investigator at the Australian Research Council's Centre for Engineered Quantum Systems, said his group had demonstrated it was possible to suppress decoherence in a preventive manner. The key was to develop a technique to predict how the system would disintegrate.

시드니대학교의 물리대학원을 졸업하여 호주연구위원회 산하 양자시스템설계센터에서 수석연구원으로 근무하고 있는 비어쿡 교수는 자신의 연구진이 양자시스템의 결잃음을 사전에 예방하는 것이 가능함을 보였다고 발표했다. 핵심은 양자시스템이 앞으로 어떻게 붕괴할지 예측하는 기술을 개발해내는데 있었다.

Professor Biercuk highlighted the challenges of making predictions in a quantum world: "Humans routinely employ predictive techniques in our daily experience; for instance, when we play tennis we predict where the ball will end up based on observations of the airborne ball," he said.

"This works because the rules that govern how the ball will move, like gravity, are regular and known. But what if the rules changed randomly while the ball was on its way to you? In that case it's next to impossible to predict the future behavior of that ball.

비어쿡 교수는 양자세계를 예측하는 것이 얼마나 어려운지를 다음과 같이 설명했다. "사람들은 일상생활에서 항상 예측을 합니다. 우리는 테니스를 칠 때도 공중에 뜬 테니스 공을 관찰한 뒤 그 공이 어디로 떨어질지 예측을 하지요"라고 그는 말했다. "이런 예측이 가능한 이유는 공의 움직임을 규정하는 물리법칙(중력 등)이 시간에 따라 변하지 않고 이미 알려져 있기 때문입니다.  하지만 공이 당신을 향해 날아오는 도중에 물리법칙이 랜덤으로 바뀐다면 어떻게 될까요? 이 경우에는 공이 앞으로 어떻게 움직일지를 예측하는 것은 거의 불가능합니다".

"We effectively needed to swing at the randomly moving tennis ball while blindfolded."

"바로 이게 우리가 처한 상황입니다. 양자시스템의 붕괴는 랜덤으로 발생하기 때문이지요. 더구나 양자세계에서는 관찰행위 자체가 양자적 성질을 말소시키기 때문에, 저희 연구진은 양자시스템이 어떻게 그리고 언제 랜덤으로 붕괴할지 추정해야만 했습니다. 다시 말해 저희는 눈이 먼 상태에서 랜덤으로 움직이는 테니스 공을 향해 라켓을 휘둘렀던 셈이지요".

The team turned to machine learning for help in keeping their quantum systems - qubits realised in trapped atoms - from breaking.

What might look like random behavior actually contained enough information for a computer program to guess how the system would change in the future. It could then predict the future without direct observation, which would otherwise erase the system's useful characteristics.

연구진은 기계학습(머신러닝)을 이용하여 양자시스템(이 경우에는 원자를 가두어 구현한 일련의 큐비트)의 붕괴를 방지하는 방법을 택했다. 연구 과정에서 겉으로 보기에는 랜덤한 움직임이 실은 컴퓨터 프로그램이 양자시스템의 상태가 미래에 어떻게 변할지를 예측하는데 충분한 정보를 가지고 있음이 밝혀졌다. 그 다음 컴퓨터 프로그램은 직접적인 관찰을 수행하지 않고 기존의 정보만으로 양자시스템의 미래 상태를 예측해냈다. 만일 직접 관찰을 했다면 양자시스템이 가지고 있는 유용한 양자적 성질이 사라졌을 것이다.

The predictions were remarkably accurate, allowing the team to use their guesses preemptively to compensate for the anticipated changes.

Doing this in real time allowed the team to prevent the disintegration of the quantum character, extending the useful lifetime of the qubits.

"We know that building real quantum technologies will require major advances in our ability to control and stabilise qubits - to make them useful in applications," Professor Biercuk said.

컴퓨터 프로그램의 예측은 매우 정확했으며, 연구진은 이 예측을 가지고 양자시스템의 변화를 사전에 차단하는데 성공했다. 이를 실시간으로 수행함으로써 연구진은 양자적 성질의 붕괴를 막고 큐비트의 수명을 연장할 수 있었다.

"상용가능한 양자기술을 개발하기 위해서는 먼저 큐비트의 제어/안정화 기술의 도약이 이루어져야 합니다"라고 비어쿡 교수는 말했다.

Our techniques apply to any qubit, built in any technology, including the special superconducting circuits being used by major corporations.

"We're excited to be developing new capabilities that turn quantum systems from novelties into useful technologies. The quantum future is looking better all the time," Professor Biercuk said.

저희가 개발한 기술은 그 어떤 기술로 만들어진 그 어떤 큐비트에 대해서도 응용이 가능하며, 여기에는 현재 주요 기업들이 사용 중에 있는 특수 초전도 회로도 포함됩니다.

"양자시스템을 단순한 신기술에서 상용가능한 기술로 전환하는 방법을 개발했다는 점에서 매우 기쁩니다. 양자의 미래는 가면 갈수록 밝아 보이는군요"라고 비어쿡 교수는 말했다.