KR101149948B1 - 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법 - Google Patents

양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101149948B1
KR101149948B1 KR1020100078696A KR20100078696A KR101149948B1 KR 101149948 B1 KR101149948 B1 KR 101149948B1 KR 1020100078696 A KR1020100078696 A KR 1020100078696A KR 20100078696 A KR20100078696 A KR 20100078696A KR 101149948 B1 KR101149948 B1 KR 101149948B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
quantum
nonlinear optical
generating
light
cluster
Prior art date
Application number
KR1020100078696A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120016381A (ko
Inventor
김재완
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020100078696A priority Critical patent/KR101149948B1/ko
Publication of KR20120016381A publication Critical patent/KR20120016381A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101149948B1 publication Critical patent/KR101149948B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

클러스터상태를 이루고 있는 d차원 양자계들의 각각을 측정하기만 하면 양자컴퓨터의 연산이 이루어지는 것은 학술적으로 입증되어 있다. 본 발명은 결맞은 레이저광을 임의의 유한한 자연수 d에 대해 d차원의 양자계로 간주할 수 있음을 보이고, 이러한 d차원 양자계 둘을 비선형광학과정을 통하여 최대로 얽히게 할 수 있으며, 여러 개의 d차원 양자계, 즉 결맞은 레이저광에 같은 방식의 비선형광학과정을 거침으로써 양자광 클러스터 상태로 만드는 방법을 통해 양자 연산을 구현하였다.

Description

양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법 {Method of quantum computation by generating quantum clusters}
본 발명은 양자컴퓨터 분야에 속하는 것으로, 특히 실용적인 대규모 양자컴퓨터를 구현하기 위한 d차원 양자계들의 양자광 클러스터를 생성하여 양자 연산을 행하는 방법에 관한 것이다.
양자 컴퓨터에 의한 연산은, 가장 우수하다고 알려진 디지털 연산법에 비해, 어떤 것은 지수함수적으로(exponentially), 다른 것은 이차함수적으로(quadratically) 연산속도를 향상시키는 것으로 예상되고 있다. 그런데, 양자 컴퓨터에 대하여 수많은 실험적 제안이 있어왔지만, 지금까지 결잃음(decoherence), 확장성(scalability), 정확성 등에서 많은 장애가 있는 것으로 알려져 있다.
양자컴퓨터를 구현하는 방법으로 처음 제시된 양자회로 방식은 일정 수의 양자비트(quantum bit) 또는 큐비트(qubit)를 초기상태로 준비하고, 이에 여러 가지 양자역학적인 작용을 가함으로써 원하는 최종상태로 만든 다음, 각각의 큐비트를 측정하여 계산결과를 얻는다. 또 다른 방식은 클러스터 상태 양자컴퓨터 또는 일방향 양자컴퓨터라는 방식으로, 개념적으로 격자와 같은 구조상의 양자비트들을 0과 1의 중첩상태로 준비하고, 격자 구조상 연결된 양자비트 쌍에 제어Z(Controlled-Z) 작용을 가하여 클러스터 상태(cluster state)라고 하는 대규모의 얽힘(entanglement) 상태를 만든 후, 각각의 양자비트를 측정하는 것만으로 양자컴퓨터 계산의 결과를 얻는 방식이다. 클러스터 상태 양자컴퓨터는 일단 클러스터 상태만 용이하게 준비할 수 있으면 양자회로 방식에 비해 훨씬 쉽게 양자계산을 할 수 있다. 현재 이온, 원자 등으로 클러스터 상태를 만드려는 시도가 많이 이루어지고 있으나, 쉽지 않은 상황이며, 레이저의 결맞은(coherent) 상태를 이용하여 양자비트의 클러스터 상태를 만드는 제안이 있으나 현실적으로 구현이 불가능에 가깝다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창작된 것으로서, 간단하고 실용적인 대규모 양자컴퓨터를 구현할 수 있도록 하는 양자 연산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 양자 연산방법은: 양자계산을 실행하기 위한 임의의 격자점에 결맞은 레이저광을 임의의 자연수 d에 대해 d차원의 양자정보단위 큐디트로 정의하는 단계와; 격자 상에서 서로 이웃하는 큐디트 쌍(
Figure 112011085625787-pat00001
)들에 비선형광학매질을 이용한 과정을
Figure 112011085625787-pat00002
정도되도록 작용하여 큐디트들이
Figure 112011085625787-pat00003
로 표현되는 양자광 큐디트 클러스터 상태를 생성하도록 하는 단계와(여기서 <p, q>는 격자에서 서로 이웃하는 점을 나타냄); 생성된 양자광 큐디트 클러스터 상태에서 각 큐디트들을 측정함으로써 양자계산을 실행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비선형광학매질이 크로스-커(cross-Kerr) 비선형광학매질인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 0과 1 및 그 중첩을 이용하는 양자비트가 아니라, 0, 1, …, d-1의 d개의 양자상태들의 중첩인 큐디트(qudit, quantum d-level system)들의 클러스터 상태를 만들고, 이렇게 준비되는 큐디트 클러스터 상태의 각 큐디트들을 하나씩 측정함으로써 양자계산이 이루어지므로, 간단하고 실용적인 대규모 양자컴퓨터를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로서, 두 결맞은 레이저광
Figure 112010052427511-pat00004
에 시간
Figure 112010052427511-pat00005
동안 크로스-커(Cross-Kerr) 비선형광학과정을 작용하여 두 레이저광이 최대로 얽히게 만드는 것을 설명하기 위한 도면; 및
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법이 적용되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양자 연산방법의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
결맞은(coherent) 레이저광
Figure 112010052427511-pat00006
는 수학식 1과 같이 임의의 자연수 d에 대해 d차원의 양자상태, 즉 큐디트(qudit)로 간주할 수 있다.
Figure 112010052427511-pat00007
여기에서
Figure 112010052427511-pat00008
에 대하여
Figure 112010052427511-pat00009
이다.
레이저광의 진폭이 커져
Figure 112010052427511-pat00010
가 되면,
Figure 112010052427511-pat00011
는
Figure 112010052427511-pat00012
로 되면서
Figure 112010052427511-pat00013
와 같이 직교정준화된다. 이에 따라
Figure 112010052427511-pat00014
는 모든 기저상태가 고르게 중첩된 상태인
Figure 112010052427511-pat00015
가 된다. 큐디트에 대해 Z작용자(Z operator)는 다음 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112010052427511-pat00016
(여기에서
Figure 112010052427511-pat00017
이다.)
이 Z작용자는
Figure 112010052427511-pat00018
로 표현되는 위상변화 광학장치로 구현할 수 있다.
이어서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 이렇게 준비된 결맞은 레이저광 두 개
Figure 112010052427511-pat00019
(10, 20)에 크로스-커(Cross-Kerr) 비선형광학 매질(30)을 이용한 과정을
Figure 112010052427511-pat00020
정도되도록 시간
Figure 112010052427511-pat00021
동안 작용하면 이 두 레이저광은 다음 수학식 3에서 보는 것처럼 최대로 얽히게 된다. 여기서, 여기서, χ는 크로스-커(Cross-Kerr) 비선형광학 매질(30)의 비선형성 정도를 나타내는 3차 감수율의 실수부분이다.
Figure 112010052427511-pat00022
여기에서
Figure 112010052427511-pat00023
는
Figure 112010052427511-pat00024
이고,
Figure 112010052427511-pat00025
는 큐디트 1을 제어 큐디트로 큐디트 2를 목적 큐디트로 하는 제어Z (Controlled-Z) 작용이다. 이렇게 준비된 최대 얽힘은 양자텔레포테이션(Quantum Teleportation), 양자암호통신 등 여러 목적으로 활용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법이 적용되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 양자광 클러스터를 형성하기 위해서, 먼저 양자계산을 실행하기 위한 임의의 격자점에 결맞은 레이저광
Figure 112011085625787-pat00026
, 즉 큐디트들을 준비한 다음, 격자 상에서 서로 이웃하는 큐디트 쌍(
Figure 112011085625787-pat00027
)들에 크로스-커 비선형광학매질을 이용한 과정을
Figure 112011085625787-pat00028
정도되도록 작용하면 큐디트들은
Figure 112011085625787-pat00029
로 표현되는 양자광 큐디트 클러스터 상태를 이루게 된다(여기서, <p, q>는 격자에서 서로 이웃하는 점을 나타냄).
이렇게 준비된 양자광 큐디트 클러스터 상태에서 각 큐디트들을 측정함으로써 양자계산을 실행할 수 있다. 또한, 이를 이용하여 기타 양자정보처리, 양자 텔레포테이션, 양자 암호통신을 구현할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10, 20: 결맞은 레이저 광(의 상태함수)
30: 크로스-커(cross-Kerr) 비선형 매질

Claims (2)

  1. 양자계산을 실행하기 위한 임의의 격자점에 결맞은 레이저광을 임의의 자연수 d에 대해 d차원의 양자정보단위 큐디트로 정의하는 단계와;
    격자 상에서 서로 이웃하는 큐디트 쌍(
    Figure 112011085625787-pat00030
    )들에 비선형광학매질을 이용한 과정을
    Figure 112011085625787-pat00031
    정도되도록 작용하여 큐디트들이
    Figure 112011085625787-pat00032
    로 표현되는 양자광 큐디트 클러스터 상태를 생성하도록 하는 단계, 여기서 <p, q>는 격자에서 서로 이웃하는 점을 나타냄; 및
    상기 생성된 양자광 큐디트 클러스터 상태에서 각 큐디트들을 측정함으로써 상기 양자계산을 실행하는 단계;
    를 구비하는, 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비선형광학매질이 크로스-커 비선형광학매질인 것을 특징으로 하는, 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법.
KR1020100078696A 2010-08-16 2010-08-16 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법 KR101149948B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100078696A KR101149948B1 (ko) 2010-08-16 2010-08-16 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100078696A KR101149948B1 (ko) 2010-08-16 2010-08-16 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120016381A KR20120016381A (ko) 2012-02-24
KR101149948B1 true KR101149948B1 (ko) 2012-06-08

Family

ID=45838661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100078696A KR101149948B1 (ko) 2010-08-16 2010-08-16 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101149948B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7223174B2 (ja) 2019-06-14 2023-02-15 ザパタ コンピューティング，インコーポレイテッド ロバストな振幅推定のための工学的尤度関数を用いたベイズ推論のためのハイブリッド量子古典コンピュータ
EP4022530A4 (en) 2019-09-27 2022-11-30 Zapata Computing, Inc. COMPUTER SYSTEMS AND METHODS OF CALCULATION OF THE GROUND STATE OF FERMI-HUBBARD-HAMILTONIAN
US11861457B2 (en) 2020-06-02 2024-01-02 Zapata Computing, Inc. Realizing controlled rotations by a function of input basis state of a quantum computer
US11941484B2 (en) 2021-08-04 2024-03-26 Zapata Computing, Inc. Generating non-classical measurements on devices with parameterized time evolution

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Communications in Theoreticaal Physics vol.51, no.1 「Scheme for Implementing Assisted Cloning of an Unknown d-Dimension Equatorial Quantum State by Remote State Preparation」(Zhan 외 1명, 2009.01)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120016381A (ko) 2012-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11816537B2 (en) Fault-tolerant scalable modular quantum computer architecture with an enhanced control of multi-mode couplings between trapped ion qubits
Gard et al. An introduction to boson-sampling
Mower et al. High-fidelity quantum state evolution in imperfect photonic integrated circuits
KR101149948B1 (ko) 양자광 클러스터 생성에 의한 양자 연산방법
CN111914378B (zh) 一种单振幅量子计算模拟方法及装置
CN111478735A (zh) 一种基于集成光学的通用量子漫步模拟芯片结构
Di Molfetta et al. A quantum walk with both a continuous-time limit and a continuous-spacetime limit
Gard et al. Inefficiency of classically simulating linear optical quantum computing with Fock-state inputs
WO2018106506A1 (en) Fast entangled state generation and quantum information transfer in a quantum system with long-range interactions
Syafruddin et al. Blockchain scheme based on evolutionary proof of work
Santos et al. Quantum computing with incoherent resources and quantum jumps
Bhattacharyya et al. Complexity for an open quantum system
Balasubramaniam et al. Delay decomposition approach to stability analysis for uncertain fuzzy Hopfield neural networks with time-varying delay
Strauch Resource letter QI-1: Quantum information
Ravindranath et al. Free fermions under adaptive quantum dynamics
Blasone et al. Entanglement in a QFT model of neutrino oscillations
Duan et al. Robust probabilistic quantum information processing with atoms, photons, and atomic ensembles
Tempere et al. Path-integral description of cooper pairing
Nonnenmann et al. Quantum Technologies
Nesterov et al. Parallel calculation of diameter constrained network reliability
Bartlett et al. Requirement for quantum computation
Abramsky Petri nets, discrete physics, and distributed quantum computation
Sahalot et al. A comparative study of brute force method, nearest neighbour and greedy algorithms to solve the travelling salesman problem
JP2021193570A (ja) 位相演算を行うための方法および装置
JP6881104B2 (ja) 量子もつれ生成装置及び方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150429

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee