KR20170124568A - 양자 결맞음 상태들의 보편적인 양자 제어 기술 및 관련 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

일부 양태는, 복수의 결맞음 양자 상태를 갖는 제1 양자 시스템을 포함하고, 상기 제1 양자 시스템은 제2 양자 시스템에 결합된, 장치를 동작시키는 방법으로서, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 에너지 전달을 자극하고, 에너지의 순 발산이 상기 제2 양자 시스템으로부터 출력되게 하는 입력 에너지 신호를 상기 제2 양자 시스템에 제공하는 단계로서, 상기 입력 에너지 신호는, 상이한 주파수들을 갖고 진폭과 위상을 각각 갖는 적어도 2개의 성분을 포함하는, 상기 입력 에너지 신호를 제공하는 단계, 및 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 하나 이상의 양자 상태의 변화를 야기하기 위해 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상을 단열적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 상기 장치를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

Description

양자 결맞음 상태들의 보편적인 양자 제어 기술 및 관련 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 2015년 2월 27일자로 출원된, 발명의 명칭이 "Holonomic Quantum Computing With Cat-Qudits"인 미국 가특허 출원 번호 62/126,384의 35 U.S.C.§119(e) 하의 이익을 주장한다.

기술 분야

본 출원은 일반적으로 양자 정보 처리에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 출원은 다수의 결맞음 양자 상태(coherent quantum state)를 갖는 시스템을 양자 제어하는 것에 관한 것이다.

양자 시스템의 양자 상태를 준비하고 제어하는 능력은 양자 정보를 처리하는데 중요하다. 고전 컴퓨터 메모리가 비트를 초기화하고 비트의 상태를 0으로부터 1로 또는 그 반대로 변화시키도록 게이트를 구현하는 능력을 가져야 하는 것처럼 양자 컴퓨터는 양자 정보를 저장하는 데 사용되는 양자 시스템의 상태를 초기화할 수 있고 양자 시스템의 상태를 변화시키는 논리 게이트를 구현할 수 있어야 한다.

양자 정보는 다양한 양자 역학 시스템 중 임의의 시스템에 저장될 수 있다. 종래 양자 정보는 통상적으로 2-상태 양자 역학 시스템인 "큐비트(qubit)"라고 지칭되는 양자 비트를 사용하여 저장될 수 있다. 그러나, 양자 역학 발진기와 같은 다수의-상태의 양자 시스템이 또한 양자 정보를 저장하는 데 사용될 수 있다.

일부 양상은 복수의 결맞음 양자 상태(coherent quantum state)를 갖는 제1 양자 시스템을 포함하고, 상기 제1 양자 시스템은 제2 양자 시스템에 결합된, 장치를 동작시키는 방법으로서, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 에너지 전달을 자극하고, 에너지의 순 발산(net dissipation)이 상기 제2 양자 시스템으로부터 출력되게 하는 입력 에너지 신호를 상기 제2 양자 시스템에 제공하는 단계로서, 상기 입력 에너지 신호는, 상이한 주파수들을 갖고 진폭과 위상을 각각 갖는 적어도 2개의 성분을 포함하는, 상기 제공하는 단계; 및 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 하나 이상의 양자 상태의 변화를 야기하기 위해 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상을 단열적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 장치를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 상기 하나 이상의 양자 상태의 변화는 상기 복수의 결맞음 양자 상태의 다른 결맞음 양자 상태들에 대해 상기 복수의 결맞음 양자 상태의 제1 결맞음 양자 상태의 위상 변화이다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 상기 하나 이상의 양자 상태의 변화는 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 제2 결맞음 양자 상태와 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 제3 결맞음 양자 상태 사이에 집단 전달(population transfer)이다.

일부 실시예에 따르면, 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상의 상기 단열 변화는, 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분 각각의 진폭과 위상 각각이 상기 단열 변화의 전 및 후에 동일한 초기 값과 최종 값을 갖도록 수행된다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템은 비선형 소자(non-linear element)를 통해 상기 제2 양자 시스템에 결합된다.

일부 실시예에 따르면, 상기 비선형 소자는 조셉슨 접합(Josephson junction)이다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템은 제1 공진 공동(resonant cavity)이고, 상기 제2 양자 시스템은 제2 공진 공동이고, 상기 입력 에너지 신호는 입력 광자 신호이고, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 상기 에너지 전달은 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 광자 변환을 포함한다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 공진 공동의 품질(Q) 인자는 상기 제2 공진 공동의 Q 인자보다 더 크다.

일부 실시예에 따르면, 상기 입력 광자 신호의 제1 성분은 제1 주파수를 갖고, 상기 입력 광자 신호의 제2 성분은 제2 주파수를 갖고, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이는 상기 제1 공진 공동의 공진 주파수와 같다.

일부 실시예에 따르면, 상기 입력 광자 신호의 제3 성분은 상기 제2 공진 공동의 공진 주파수와 같은 제3 주파수를 갖는다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 상기 광자 변환은 상기 제1 양자 시스템으로부터 상기 제2 양자 시스템으로의 광자 변환, 및 상기 제2 양자 시스템으로부터 상기 제1 양자 시스템으로의 광자 변환을 포함한다

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템으로부터 상기 제2 양자 시스템으로의 상기 광자 변환은, 상기 제1 양자 시스템의 2개의 광자를 상기 제2 양자 시스템의 하나의 광자로 변환하는 것; 및 상기 제1 양자 시스템의 하나의 광자를 상기 제2 양자 시스템의 하나의 광자로 변환하는 것의 중첩을 포함한다.

일부 실시예에 따르면, 상기 입력 에너지를 제공하는 단계에 앞서, 상기 복수의 결맞음 상태들 중 적어도 2개의 결맞음 상태의 중첩(superposition)으로 상기 제1 양자 시스템을 초기화하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템은 적어도 3개의 결맞음 양자 상태를 갖는다.

일부 양태는, 장치로서, 복수의 결맞음 양자 상태를 갖는 제1 양자 시스템; 상기 제1 양자 시스템에 결합된 제2 양자 시스템; 적어도 하나의 에너지 소스; 및 적어도 하나의 제어기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제어기는, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 에너지 전달을 자극하고, 에너지의 순 발산이 상기 제2 양자 시스템으로부터 출력되게 하는 입력 에너지 신호를 상기 적어도 하나의 에너지 소스로부터 상기 제2 양자 시스템으로 제공하는 동작으로서, 상기 입력 에너지 신호는, 상이한 주파수들을 갖고 진폭과 위상을 각각 갖는 적어도 2개의 성분을 포함하는, 상기 입력 에너지 신호를 제공하는 동작; 및 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 하나 이상의 양자 상태의 변화를 야기하기 위해 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상을 단열적으로 변화시키는 동작을 수행하도록 구성된, 장치에 관한 것이다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템은 조셉슨 접합을 통해 상기 제2 양자 시스템에 결합된다.

일부 실시예에 따르면, 상기 제1 양자 시스템은 제1 공진 공동이고, 상기 제2 양자 시스템은 제2 공진 공동이며, 상기 적어도 하나의 에너지 소스는 전자기 방사선 소스이고, 상기 입력 에너지 신호는 입력 광자 신호이며, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 상기 에너지 전달은 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 광자 변환을 포함한다

다양한 양상 및 실시예가 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들은 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아님을 이해해야 한다. 도면들에서, 다양한 도면에 도시된 각 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 동일한 번호로 표시된다. 명확하게 하기 위해 모든 구성 요소가 모든 도면에 표시된 것은 아닐 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따라 본 발명의 양태를 실시하기에 적합한 예시적인 장치의 블록도;
도 2는 일부 실시예에 따라 공진 공동들 중 하나의 공동의 결맞음 상태들의 보편적인 제어를 수행하도록 동작될 수 있는 한 쌍의 공진 공동의 블록도;
도 3은 일부 실시예에 따라 도 2의 시스템이 동작될 수 있는 예시적인 정상 상태(steady state)를 도시한 도면;
도 4a 내지 도 4b는 일부 실시예에 따라 단일 큐비트에 수행될 수 있는 홀로노믹 동작(holonomic operation)의 제1 클래스(class)를 도시한 도면;
도 4c 내지 도 4d는 일부 실시예에 따라 단일 큐비트에 수행될 수 있는 홀로노믹 동작의 제2 클래스를 도시한 도면;
도 5a 내지 도 5b는 일부 실시예에 따라 2개의 큐비트에 수행될 수 있는 홀로노믹 동작의 클래스를 도시한 도면; 및
도 6a 내지 도 6b는 일부 실시예에 따라 2개를 초과하는 결맞음 양자 상태를 갖는 시스템에 수행될 수 있는 홀로노믹 동작의 클래스를 도시한 도면.

종래의 양자 정보 처리 방식은 통상적으로 정보를 인코딩하기 위해 다수의 2-레벨 양자 시스템(즉, "큐비트")을 결합한다. 그러나 양자 정보는 깨지기 쉬운 경향이 있고, 잡음(noise) 및 결어긋남(decoherence) 프로세스에 취약하다. 따라서, 양자 정보가 신뢰성 있게 저장될 수 있는 시간의 양을 연장시키기 위한 목적으로 종종 에러-정정 프로토콜이 사용된다.

일부 양자 시스템은 양자 정보의 하나 이상의 비트를 인코딩하기 위해 복수의 결맞음 상태를 갖는 양자 역학 발진기 또는 다른 시스템을 사용한다. 이러한 시스템은 예를 들어 조셉슨 접합으로부터 구축된 큐비트보다 더 긴 결어긋남 시간을 나타내는 경향이 있다. 그러나 이러한 시스템에 대한 보편적 제어(임의의 유니터리 연산(unitary operation)의 구현)는 양자 시스템에서 제어 및 결어긋남 특성이 상충되는 것으로 인해 문제를 제기할 수 있다. 양자 시스템을 제어하는 것은 본질적으로 시스템과의 상호 작용을 수반하며, 이는 시스템의 양자 상태의 결맞음(coherence)을 방해할 수 있다. 따라서, 보편적인 제어 기술은 양자 상태의 결어긋남을 야기하지 않으면서 (또는 이에 상당히 기여하지 않으면서) 양자 시스템의 결맞음 상태를 변경하는 방법을 찾아야 한다.

본 발명자들은 특정 홀로노믹 동작 세트에 의해 결맞음 상태들의 중첩의 보편적인 제어를 달성할 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 홀로노믹 동작은 상태의 파라미터 공간에서 폐 루프(closed loop)에 걸쳐 단열 수송(adiabatic transport)하는 것으로 인해 상태에 유도되는 동작이다. 전기장 또는 자기장이 존재하지 않는 위치에만 입자가 존재함에도 불구하고 전자기장으로 인해 대전 입자에 위상 시프트가 유도되는 아하로노브-봄(Aharonov-Bohm) 효과는 홀로노믹 동작의 일례이다.

본 발명자들은, 양자 시스템을 정상 상태로 배열함으로써, 시간에 따라 시스템에 입력되는 에너지의 양 및 유형을 변화시킴으로써 양자 시스템의 결맞음 상태에 임의의 유니터리 연산을 수행할 수 있다는 것을 인식하였다. 시간에 따른 입력 에너지의 이러한 변화는, 폐-루프 단열 동작을 수행함으로써, 양자 시스템의 하나 이상의 결맞음 상태의 변화를 유도하기 때문에, 예를 들어, 하나 이상의 상태에 상대 위상 및/또는 집단 변화(population change)를 유도하기 때문에, "홀로노믹 게이트(holonomic gate)"라고 지칭된다.

일부 실시예에 따르면, 시스템은 비선형 소자를 통해 제2 양자 시스템에 결합된 복수의 결맞음 상태를 갖는 제1 양자 시스템을 포함할 수 있다. 에너지는 제2 양자 시스템 및/또는 비선형 소자에 입력되어, 제2 양자 시스템으로부터 제1 양자 시스템으로 그리고/또는 제1 양자 시스템으로부터 제2 양자 시스템으로 에너지 전달(energy transfer)을 유도함으로써 정상 상태를 생성할 수 있다. 입력 에너지는 시간에 따라 단열적으로 조정되어, 단열 프로세스가 시스템의 위상 공간의 동일한 위치에서 시작하고 종료하도록(즉, 단열 프로세스가 폐 루프이어서 홀로노믹 동작을 형성할 수 있도록) 제1 양자 시스템의 하나 이상의 결맞음 상태에 변화를 유도할 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 양자 시스템은 공진기 공동을 포함할 수 있다. 이러한 공동은 (예를 들어, 마이크로파 공동으로서) 용이하게 제조될 수 있고, 공동 내의 특정 개수의 광자를 각각 나타내는 결맞음 상태 세트를 갖도록 동작될 수 있다. 공동은 이 공동을 시스템에 결합시킴으로써 정상 상태에서 동작될 수 있는데, 여기서 이 공동은 에너지를 (광자의 형태로) 시스템으로 발산하고 시스템으로부터 에너지를 (광자의 형태로) 수신한다. 이러한 정상 상태는, 공동의 양자 상태가 위상 공간 내의 폐 경로(closed path)를 횡단하도록 시간에 따라 시스템에 입력되는 에너지의 양을 단열적으로 변경함으로써 수정될 수 있다. 이 경로의 단부에서 공동의 양자 상태들 중 하나 이상의 양자 상태가 홀로노믹 동작의 결과 변화될 수 있다.

본 명세서에 사용된 "단열적" 동작이란 양자 시스템에 충분히 천천히 작용하여 시스템이 순간적 고유 상태에 유지되고 고유 상태와 나머지 시스템 스펙트럼 사이에 갭이 유지될 수 있는 양자 역학 섭동(quantum mechanical perturbation)을 지칭한다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에 따르면, 홀로노믹 게이트는 양자 시스템의 파라미터 공간(예를 들어, 시스템의 위상 공간)에서 폐 루프를 형성하는 단열 프로세스에 의해 실현될 수 있다.

다음은 다수의 결맞음 양자 상태를 갖는 시스템의 양자 제어를 위한 기술과 관련된 다양한 개념 및 실시예에 대한 보다 상세한 설명이다. 본 명세서에 설명된 다양한 양태가 다양한 방식 중 임의의 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특정 구현의 예는 설명의 목적으로만 본 명세서에 제공된다. 또한, 이하의 실시예들에서 설명된 다양한 양태는 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있으며, 본 명세서에 명시적으로 설명된 조합들로 제한되지 않는다.

도 1은 일부 실시예에 따라 본 발명의 양태를 실시하기에 적합한 예시적인 장치의 블록도이다. 전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 양자 시스템을 후술될 특정 정상 상태로 배열함으로써, 시간에 따라 시스템에 입력되는 에너지의 양 및 유형을 변화시킴으로써 양자 시스템의 결맞음 상태에 임의의 유니터리 연산을 수행할 수 있는 것을 인식하였다. 도 1은 양자 시스템(110)이 정상 상태로 배열된 그러한 시스템의 일례이다.

도 1의 예에서, 양자 시스템(110)은 이 양자 시스템이 순전히 임의의 유니터리 연산이 수행될 수 있는 시스템이라는 것을 나타내기 위해 "1차" 양자 시스템이라고 표시된다. 즉, 시스템(100)은 1차 양자 시스템(110)의 결맞음 양자 상태에 보편적인 양자 제어가 가능하도록 구성된다. 시스템(100)의 다른 구성 요소들은 1차 양자 시스템(110)의 상태에 상기 제어가 가능하게 하기 위해 제공된다.

시스템(100)에서, 입력 에너지는 입력 에너지(151) 및/또는 입력 에너지(152)를 통해 비선형 양자 소자(130) 또는 2차 양자 시스템(120) 중 하나에 제공되거나 또는 비선형 양자 소자(130)와 2차 양자 시스템 모두에 제공된다. 2차 양자 시스템(120)은 일부 에너지(154)가 시스템으로부터 발산되도록 손실이 있도록 구성될 수 있다. 시스템(100)에서, 비선형 양자 소자(130)는 1차 양자 시스템(110)과 2차 양자 시스템(120) 사이에 비선형 결합을 제공한다.

입력 에너지(151) 및/또는 입력 에너지(152) 중 어느 것이 제공되는지에 상관 없이, 입력 에너지는 2차 양자 시스템(120) 및/또는 비선형 양자 소자(130)를 구동하여, 1차 양자 시스템(110)으로부터 2차 양자 시스템(120)으로 에너지 전달을 유도하고 2차 양자 시스템(110)으로부터 1차 양자 시스템(120)으로 에너지 전달을 유도할 수 있다. 이러한 에너지 전달은 양방향 에너지 전달(153)로서 도면에 도시된다. 시스템(100)에 대한 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)는 양방향 에너지 전달(153)을 자극하기 위해 임의의 적절한 에너지를 포함할 수 있으며, 1차 양자 시스템 내의 상태들의 중첩의 자극을 포함하여 다수의 에너지 전달 프로세스를 어느 방향으로 자극할 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)는 상이한 에너지 진폭, 주파수 및/또는 입자 조성 등을 각각 갖는 다수의 에너지 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)는 제1 진폭과 제1 위상을 갖는 제1 주파수의 제1 신호, 및 제2 진폭과 제2 위상을 갖는, 제1 주파수와 상이한, 제2 주파수의 제2 신호를 포함할 수 있다. 이 입력 에너지는 이에 따라 2개의 주파수, 2개의 진폭, 2개의 위상을 포함하는 6개의 파라미터로 설명될 수 있으며, 이들 파라미터 중 임의의 파라미터는 에너지가 입력될 때 시간이 지남에 따라 변할 수 있다.

시스템(100)은 다음 방식으로 1차 양자 시스템(110)의 결맞음 상태의 보편적인 제어를 수행하도록 동작될 수 있다. 먼저, 적절한 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)는, 양방향 에너지 전달(153)을 유도하고, 정상 상태가 시스템(100) 내에 생성되도록 에너지(154)의 발산을 야기하도록 선택될 수 있다. 즉, 주어진 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)에 대해 정상 상태에서, 순 에너지 전달(153) 및 발산된 에너지(154)는 (초기 이완 기간(relaxation period)의 가능성에도 불구하고) 시간에 따라 실질적으로 일정하다. 전술한 바와 같이, 2차 양자 시스템(120)은 손실이 있을 수 있고, 일부 실시예에서, 시스템(120)의 손실률(lossiness)(예를 들어, 종종 "Q-인자"로 지칭되는 품질 인자)은 입력 에너지(151 및/또는 152)와 함께 원하는 정상 상태를 생성하도록 선택될 수 있다.

일단 정상 상태가 달성되면, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)가 시간에 따라 조정되어, 폐 경로에 걸쳐 위상 공간에서 1차 양자 시스템(110)의 양자 상태를 단열적으로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 양자 상태의 위치 및 운동량은 (입력 에너지(151)에 의한 입력인지 그리고/또는 입력 에너지(152)에 의한 입력인지에 상관 없이) 시스템에 대한 에너지 입력의 진폭 및/또는 위상을 조정함으로써 변화될 수 있다. 1차 양자 시스템(110)의 양자 상태가 단열적으로 변화되기 때문에, 이것은 시스템(100)이 양자 상태에 의해 횡단되는 경로를 따라 위상 공간의 각 위치에서 정상 상태에 있는 것을 의미한다. 또한 횡단되는 경로가 폐 경로이기 때문에 그 결과 적어도 일부 경로에 대해 일종의 단열적으로 변하는 양자 상태(예를 들어, 위상 변화, 집단 변화 등)의 변화를 생성할 수 있는 홀로노믹 동작이 발생된다.

시간에 따른 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)의 변화가 1차 양자 시스템(110)의 양자 상태의 위상 공간에 폐 경로를 생성할 수 있지만, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)는 프로세스의 시작시에서와 같이 프로세스의 종료시에도 반드시 동일해야만 하는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)가 실제 동일한 특성으로 홀로노믹 동작을 시작하고 종료할 수 있지만, 위상 공간에서의 1차 양자 시스템(110)의 양자 상태의 위치는 특정 입력 에너지에 고유하지 않을 수 있고, 그리하여 입력 에너지는 동작이 시작되었을 때보다 홀로노믹 동작의 종료시에는 상이할 수 있다. 예를 들어, 입력 에너지(151인지 그리고/또는 152인지에 상관 없이)의 성분들의 상대적인 진폭은 1차 양자 시스템(110)의 양자 상태의 위상 공간 내 위치를 지시할 수 있고, 그리하여, 성분들의 절대 진폭을 조정하는 것이 여전히 위상 공간에서 폐 경로를 생성하면서 홀로노믹 동작 동안 변할 수 있다.

후술된 바와 같이, 본 발명자들은, 위상 공간에서 특정 유형의 폐 경로가 양자 상태의 변화를 생성할 수 있고, 그리하여 홀로노믹 동작이 이러한 유형의 경로들 중 하나의 경로를 선택함으로써 수행될 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 특히, 본 발명자들은, 식별된 경로("게이트"이라고도 지칭됨)들이 이하에서 더 설명된 바와 같이 임의의 개수의 결맞음 양자 상태를 갖는 양자 시스템의 양자 상태들에 대해 임의의 유니터리 연산을 수행할 수 있다는 것을 인식하였다.

시스템(100)을 사용하여 양자 상태의 변화를 수행하는 일 예로서, 1차 양자 시스템(110)은 제1 결맞음 양자 상태 및 제2 결맞음 양자 상태의 중첩에 있는 큐비트 시스템일 수 있다. 일부 경우에, 제1 양자 상태는 전술한 바와 같이 위상 공간에서 폐 경로를 단열적으로 횡단하는 것에 의해 제1 양자 상태가 수정될 수 있다. 단열 경로의 결론에서, 제1 양자 상태는 시스템의 제2 양자 상태와는 상이한 하나 이상의 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 단열 경로의 횡단에 의해 유도된 제1 양자 상태와 제2 양자 상태 사이의 상대적인 위상이 있을 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 다중 양자 상태 시스템의 특정 양자 상태는 시스템의 다른 양자 상태의 조작을 야기함이 없이 특정 양자 상태의 조작을 허용하는 입력 에너지의 적절한 성분을 포함함으로써 목표(targeted)로 설정될 수 있다. 그러나 양자 시스템의 다수의 양자 상태를 목표로 설정하는 홀로노믹 게이트도 물론 고려될 수 있다.

1차 양자 시스템(110)은 마이크로파 공동 또는 다른 공진기, 트랩된 이온, 리드버그 원자(Rydberg atom), 또는 이들의 조합을 포함하지만 이들로 국한되지는 않는 다수의 잘 분리된 결맞음 상태를 나타내는 임의의 적절한 양자 시스템을 포함할 수 있다. 2차 양자 시스템(120)은 이들 예시적인 양자 시스템 또는 다른 적절한 양자 시스템 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 1차 양자 시스템(110)과 동일한 유형의 양자 시스템일 필요는 없다. 일부 실시예에 따르면, 2차 양자 시스템(120)은 1차 양자 시스템(110)과 동일한 유형의 양자 시스템일 수 있으나, 상이한 물리적 특성을 가질 수 있다(예를 들어, 2개의 시스템은 상이한 공진 주파수들 또는 상이한 품질 인자들을 갖는 공진기일 수 있다).

일부 실시예에 따르면, 1차 양자 시스템(110) 및 2차 양자 시스템(120)은 보손 시스템(bosonic system)일 수 있다. 이러한 경우에, 입력 에너지(151) 및/또는 입력 에너지(152)는 광자 또는 다른 종류의 보손을 입력으로 제공하는 것 같은 보손 에너지 소스를 포함할 수 있다.

비선형 양자 소자(130)는 1차 양자 시스템(110)과 2차 양자 시스템(120) 사이에 비선형 결합을 제공하는 임의의 양자 소자일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 비선형 양자 소자(130)는 조셉슨 접합을 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 전술한 시스템(100)에 따라 동작될 수 있는 특정 물리적 장치를 설명하기 위해, 도 2는 일부 실시예에 따라 공진 공동들 중 하나의 공동의 결맞음 상태의 보편적인 제어를 수행하도록 동작될 수 있는 한 쌍의 공진 공동을 도시한다. 전술한 바와 같이, 본 출원의 실시예는 특정 유형의 물리적 구현예로 한정되지 않고, 공진 공동을 사용하는 것으로 제한되지 않으며, 따라서 도 2의 예는 단지 하나의 가능한 구현을 설명하기 위해 제공된다.

시스템(200)은 임의의 유니터리 연산이 수행될 수 있는 공진 공동(210), 및 입력 광자 신호(251)가 제공되는 공진 공동(220)을 포함한다. 일반적으로 공동(210)의 양자 상태의 결맞음 시간의 길이는 ("판독(readout)" 공동으로 표시되는) 공동(220)의 양자 상태의 결맞음 시간보다 더 높을 수 있기 때문에, 공동(210)은 공동(220)과 대비하기 위해 도 2에서 "저장(storage)" 공동으로 표시되어 있다. 예를 들어, 공동(210)은 공동(220)보다 더 높은 Q 값을 가질 수 있는데, 공동(220)은, 전술한 바와 같이 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 이 도면에 도시되지 않은 공진 공동(220)에 결합된 전송 라인을 통해) 광자의 형태로 에너지(254)를 발산한다.

임의의 개수의 성분 신호를 포함할 수 있는 입력 광자 펌프(251)(종종 "톤(tone)"이라고 지칭됨)로 인해, 공동(210)으로부터 공동(220)으로 또는 그 반대쪽으로 광자의 변환이 자극될 수 있다. 이 변환은, 시스템(200)이 정상 상태로 구동될 수 있는 한, 임의의 개수의 광자를 각각 포함할 수 있는 임의의 개수 및 임의의 적절한 유형의 변환을 포함할 수 있다. 도 2의 예에서, 입력 광자 신호는 공진 공동(220)에만 제공되지만, 신호는 공진 공동(220)을 구동할 수 있고 그리고/또는 공진 공동(220)과의 결합을 통해 조셉슨 접합(230)을 구동할 수 있는 것으로 이해된다. 즉, 광자 에너지가 공진 공동(220)에 입력될 수 있지만, 이것은 공진 공동(220)만이 입력 광자 에너지에 의해 구동될 수 있는 것을 의미하는 것은 아니다.

시스템(200)은 공진 공동(210)의 양자 상태가 양자 상태의 위상 공간에서 폐 경로를 횡단하게 하기 위해 시간에 따라 입력 광자 펌프 신호(251)의 하나 이상의 성분을 변화시킴으로써 공진 공동(210)의 양자 상태에 대해 임의의 유니터리 연산을 생성하도록 동작될 수 있다. 이것을 도 2의 시스템에서 실제로 수행할 수 있는 방법에 대한 예시적인 예를 제공하기 위해, 도 3은 일부 실시예에 따라 시스템(200)의 예시적인 정상 상태를 도시한다.

도 3의 예에서, 다양한 광자 에너지 전달 프로세스가 도 2에 도시된 시스템(200)의 하나의 가능한 정상 상태에 대해 도시된다. 도 3의 예에서, 광자 펌프 입력은 3개의 상이한 주파수들, 즉 2ω _s -ω _r ; ω _s -ω _r ; 및 ω _r 의 광자를 포함하고, 여기서 ω _s 및 ω _r 은 각각 저장 공동 및 판독 공동의 관련 공동 모드의 각 주파수(angular frequency)이다. 일부 실시예에서, 이들 모드는 각 공동의 횡방향 전자기(TEM) 모드일 수 있다. 이들 주파수는 저장 공동으로부터 판독 공동으로 및 그 반대쪽으로 광자의 변환 프로세스를 자극하도록 선택된다.

특히, 주파수(2ω _s -ω _r )의 광자는 저장 공동에 있는 2개의 광자를 판독 공동에서 하나의 광자로 변환(330)하는 것을 자극하고, 판독 공동에 있는 하나의 광자를 저장 공동에서 2개의 광자로 변환(350)하는 것을 자극한다. 또한, 주파수(ω _s -ω _r )의 광자는 저장 공동에 있는 하나의 광자를 판독 공동에서 하나의 광자로 변환(340)하는 것을 자극하고, 판독 공동에 있는 하나의 광자를 저장 공동에서 하나의 광자로 변환(360)하는 것을 자극한다. 실제로, 이들 주파수 성분 모두는 광자 펌프 입력에 존재할 수 있기 때문에, 이들 변환 프로세스로 인한 저장 공동과 판독 공동의 상태의 변화는 변환(330)과 변환(340)의 조합의 중첩이거나 또는 변환(350)과 변환(360)의 조합의 중첩일 수 있다.

이러한 프로세스에 더하여, 광자(320)는 또한 판독 공동으로부터 발산된다. 주파수(ω _r )의 광자 펌프의 성분은 2개의 유형의 광자 변환(2 ↔ 1 또는 1 ↔ 1)에 대해 프로세스에 비대칭을 도입하기 위해 제공되고, 이에 의해 전술한 단열 프로세스를 통해 공동의 다른 양자 상태를 변경함이 없이 저장 공동의 양자 상태들 중 하나의 양자 상태를 조작할 수 있다.

도 3의 예에서, 광자 펌프 입력은 3개의 주파수 값, 구체적으로 각 주파수 성분의 진폭과 위상에 더하여 6개의 파라미터로 설명될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 홀로노믹 동작은, 도 3의 3개의 예시적인 펌프 톤의 주파수를 고정 유지하고, 3개의 펌프 톤의 진폭과 위상 중 하나 이상을 변화시킴으로써 저장 공동의 양자 상태에 대해 수행될 수 있다. 3개의 톤의 진폭과 위상의 상대적인 변화는 다른 양자 상태들이 변함 없이 유지되는 동안 저장 공동의 하나의 양자 상태의 위상 공간 위치의 변화를 야기할 수 있다. 3개의 펌프 톤 중 하나 이상의 펌프 톤의 진폭과 위상의 변화가 단열적으로 수행되어 시스템이 프로세스에 걸쳐 정상 상태로 유지되는 경우, 그리고 위상 공간 위치의 변화가 폐 경로인 경우, 저장 공동의 양자 상태는 임의의 유니터리 연산으로 조정될 수 있고, 이에 따라 저장 공동의 양자 상태에 대한 보편적인 양자 연산을 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 위상 공간에서 특정 클래스의 폐 경로가 상기 방식으로 횡단되어 양자 상태에 대해 임의의 유니터리 연산을 생성할 수 있다는 것을 인식하고 이해하였다. 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 내지 도 5b 및 도 6a 내지 도 6b는 특정 예시적인 양자 시스템에 대한 이들 경로를 도시하지만, 아래에 논의된 바와 같이 설명된 기술은 임의의 개수의 결맞음 양자 상태를 갖는 임의의 양자 시스템으로 확장될 수 있다.

다음 설명은 전술한 절차 및 시스템에 대한 이론적 기초를 제공하며, 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 시스템에 모두 적용될 뿐만 아니라 상기 논의에 따르는 임의의 다른 적합한 시스템에도 적용된다.

다음 수식과 같은 린드블라드 마스터 수식(Lindblad Master Equation: LME)을 갖는 단일 모드 d-광자 프로세스를 고려한다:

(수식 1)

여기서,

이고, ρ는 밀도 행렬(density matrix)이다. d = 1인 경우(

)는 그 고유 정상 상태가 결맞음 상태(|α₀〉)(여기서,

임)에 있는 잘 알려진 구동 감쇠 고조파 발진기로 감소한다. 방정식 1에서 d = 2인 경우의 변형예는 구동되는 2-광자 흡수, 축퇴 파라미터 발진기, 또는 레이저-구동 트랩된 이온에서 나타난다. 임의의 d와 특정 α _ν 에 대해, 큐디트(qudit) 정상 상태 공간은 F에 의해 소멸되는 d개의 잘-분리된 결맞음 상태(|α _ν 〉)에 의해 걸쳐 있다.

아래에서 논의된 바와 같이, 이 큐디트에 대한 보편적인 양자 연산은 파라미터(α _ν (t))들의 단열 변화에 의존하는 2개의 게이트 유형, 즉 루프 게이트(loop gate)와 충돌 게이트(collision gate)를 통해 수행될 수 있다. 위상 공간에서 이들 2개의 넓은 클래스의 경로(이후 논의에서 "게이트"라고 지칭됨) 각각은 도 1 내지 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이 양자 시스템의 양자 상태들에 대해 유니터리 연산을 수행하도록 구현될 수 있다.

2개의 광자(d = 2)의 경우 α ₀ , α ₁ 은 수식 (1)에서 시간에 의존하여 정상 상태 공간이 큐비트를 유지한다고 하자. 위상 공간에서 큐비트의 2개의 상태(|α _ν (t)〉)의 위치는 튜닝가능한 파라미터에 의해 각각 제어된다. 여기서 α ₀ (0) = -α ₁ (0) ≡ α(여기서, 다른 언급이 없는 한, α는 실수)라고 하자. 이 시스템의 정상 상태(|±α〉)는 이 섹션의 파라미터 공간 전개의 시작점이다.

"루프 게이트"는 도 4a에 도시된 바와 같이 위상 공간에서 폐 경로를 통한 α ₁ (t)의 단열 변화를 수반한다. 상태 |α ₁ (t)〉는 도시된 경로를 따르도록 조작되고, 경로가 |α ₀ (t)〉 = |α〉로부터 잘 분리되는 한, 이것은 상태가 위상 θ = 2A를 취하도록 하고, 여기서 A는 경로로 둘러싸인 면적이다. |-α〉에서 큐비트를 초기화하면 게이트 적용시 관련이 없는 절대 위상만이 생성된다(d = 1인 경우와 유사하다)는 것이 명백하다. 그러나 일단 큐비트가 계수(c_±)를 갖는 2개의 결맞음 상태의 중첩으로 초기화되면, 게이트는 상대 위상을 부여할 것이다:

(수식 2)

그리하여 |±α〉 큐비트 블로흐 구체(Bloch sphere)의 x 축이 되도록 |α〉를 취하면, 이 게이트는 이 축 주위로 회전하는 것으로 고려될 수 있다(도 4b에 도시). 유사하게, 다른 상태 파라미터(|α ₀ (t)〉)로 폐 경로이고 고립된 경로를 단열적으로 횡단하면 |α〉에 위상이 유도된다.

따라서, 도 4a에 도시된 루프 게이트는 전술한 바와 같이 위상 공간에서 폐 경로를 횡단함으로써 양자 상태(α ₁ (t))를 조정하는 하나의 방법을 나타낸다. 예를 들어, 도 2의 시스템(200) 내에서 도 3에 도시된 입력 펌프 톤들의 진폭 및/또는 위상을 단열적으로 변화시킴으로써, 상태(α ₁ (t))는 이러한 방식으로 단열적으로 조정되어, 양자 상태의 블로흐 구체(도 4b)의 하나의 축 주위로 양자 상태(α ₁ (t))에 상대 위상(θ)을 부여하는 홀로노믹 동작을 야기할 수 있다.

이제 큐비트의 나머지 블로흐 구체 성분들을 도입한다. α = 0에서, d = 2의 경우는 포크(Fock) 상태(|μ〉(μ = 0,1))를 포함하는 큐비트 정상 상태 공간을 유지한다(이는

는 둘 모두를 소멸시키기 때문임). 두 상태(|±α〉)가 α → 0 극한에서 |0〉으로 가고, α = 0의 정상 상태 기초(basis)를 재생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이 문제는 "캣(cat) 상태" 기초를 도입하는 것에 의해 해결된다:

(수식 3)

여기서, 정규화는

이다. α → 0에서, |μ _α 〉 → |μ〉인 반면, α → ∞에서, 캣 상태들은 (지수적으로) 빠르게 |±α〉의 "거시적인(macroscopic)" 중첩으로 된다. 따라서 이 문제는 단지 2개의 다른 파라미터 체계(parameter regime)만을 갖는데, 즉 결맞음 상태들이 합쳐진 체계(α << 1), 및 결맞음 상태들이 멀리 떨어진 체계(α >> 1, 또는 보다 실제적으로 d = 2에서

)만을 갖는다. 수식 (3)은 (충분히 큰 α에 대해) 캣 상태와 결맞음 상태가 각각 공액 z-기준 및 x-기준으로 되어 잘 정의된 큐비트를 형성하는 것을 보여준다.

블로흐 구체의 z 축(도 4d에 도시된 블로흐 구체에서 수직으로 도시된 축) 주위로 회전을 수행하기 위해 α = 0 체계를 사용하는데, 이는 |α〉와 |-α〉 사이에 충돌 및 집단 전달을 효과적으로 유도한다. 따라서, 이런 유형의 게이트는 "충돌 게이트"라고 지칭된다.

도 4c에 도시된 예시적인 충돌 게이트의 위상 공간 경로는 다음의 관찰, 즉 잘 분리된 결맞음 또는 캣 상태 중첩에 보손 회전

을 적용하면 상태에-의존하는 위상을 유도하지 않는 반면, 포크 상태 중첩에 R _φ 를 적용하면 이 상태에-의존하는 위상을 유도한다는 관찰에 기초한다. 여기서 단 하나의 튜닝 가능한 파라미터(α ₀ (t) = -α ₁ (t))만이 필요하고, 그리하여

이고, 여기서 |α _ν (0)| = α이다. 충돌 게이트는, α를 0으로 감소시키고, 다시 αexp(iφ)로 펌핑하고, α로 다시 회전시키는 것(도 0c)을 포함한다. 따라서 전체 게이트는

로 표시되고, 여기서 S _φ 는 0으로부터 αexp(iφ) ¹ 로 펑핑하는 것을 나타낸다{주석 ¹ : 결어긋남 없는 서브공간(Decoherence Free Subspace: DFS)에서 상태들에 작용할 때, S _φ 는, 각 프로젝터가 정수 M >> 1에 대해 증분된 α를 갖는, DFS 프로젝터(P_α = |0_α〉〈0_α| + |1_α〉〈1α|)들의 경로-정렬된 곱, 즉

으로 근사될 수 있다. 수식 (3)을 사용하면,

이고 수식 (4)를 입증할 수 있다는 것을 알 수 있다.}.

(수식 4)

이므로, 충돌 게이트는, α를 감소시키고,

을 정상 상태 기초(|μ〉)에 적용하고, 다시 α로 펌핑하는 것과 동등하다.

이에 따라 순 결과는 상태(|μ _α 〉)들 사이의 상대 위상이다:

(수식 5)

결맞음 상태 기초에서, 이것은 |±α〉 사이에 결맞음 집단 전달로 해석된다.

2-큐비트 게이트의 경우, 제2 모드(

)를 추가할 수 있고, 2-광자의 경우, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 게이트를 도입할 수 있고, 본 명세서에서, "얽힌 무한대 게이트(entangling infinity gate)"라고 지칭된다. 이 경우, (수식 1에서는 단 하나만 사용하는 것과는 대조적으로) 2개의 점프 연산자(jump operator)가 사용되고, 2개의 점프 연산자 중 하나의 점프 연산자는 다음 두 모드의 하강 연산자(lowering operator)(

)로 구성된다:

(수식 6)

도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, α > 0을 일정하게 유지하고, δ(t)를 숫자 8 또는 "∞" 패턴으로 변화시키며, δ = 1로 시작하고 종료한다. δ = 1에서, 4개의 결어긋남 없는 서브공간(DFS) 기초 요소(

) 들이 두 F _I 및 F _II 에 의해 소멸된다. δ ≠ 1에 대해, 그리고 충분히 큰 α에 대해, 기초 요소들은 |α,α〉, |α, -δα〉, |-δα,α〉 및 |-δα, -δ ^-1 α〉가 된다. δ ^-1 은 F _II |-δα, -δ ^-1 α〉 = 0이라는 것을 보장하는 것이 주목된다. 이 δ ^-1 은 제4 상태가 다른 3개의 상태와는 다른 베리 위상(Berry phase)을 획득하게 한다. 서로 다른 모드의 베리 위상들이 추가되기 때문에

-모드 기여도를 개별적으로 분석한다.

|-δα〉 성분을 (어느 모드에서든) 포함하는 임의의 상태에 대해, 도 5a 또는 도 5b에 도시된 2개의 원들 각각에 대해 얻어진 베리 위상은 그 면적에 비례한다. 도 5a의 예에서, 반대 방향으로 배향된 원들은 동일한 면적을 갖기 때문에, 이러한 위상들은 상쇄될 것이다. 성분(|-δ ^-1 α〉)을 포함하는 제4 상태의 베리 위상은 δ ^-1 에 의해 만들어진 경로로 둘러싸인 총 면적에 비례한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 반전(inversion)은 원을 원으로 맵핑하지만, 도시된 2개의 반전된 원은 이제 상이한 면적을 가질 것이다. 2개의 원을 횡단할 때 얻어진 베리 위상(Ψ _i )(i∈{1,2})을 합산하면 유효 위상 게이트가 생성된다:

(수식 7)

여기서, |나머지〉는 남아 있는 성분(|α,α〉, |α,-α〉, |-α,α〉)들이 영향을 받음이 없이 중첩된 것이다.

마지막으로, 임의의 d 값에 대해; 즉, d개의 결맞음 양자 상태를 갖는 임의의 적절한 양자 시스템에 홀로노믹 동작을 수행하기 위해 시스템과 그 단일 모드 게이트를 설명한다.

여기서, α _ν (0) ≡αe _ν (여기서, α는 음(negative)이 아닌 실수임),

(여기서, ν = 0, 1, …, d-1임)라고 하자. α가 충분히 큰 경우, 정상 상태 큐디트는 위상 공간에서 원 주위에 고르게 분포된 평균 광자 수(α ² )의 d개의 잘 분리된 결맞음 상태(|αe _ν 〉)를 포함한다(d = 3에 대한 경우를 도시하는 도 6a 참조). 초기 큐디트 구성의 이러한 예시적인 선택은 수식 (1)을 이산 회전(discrete rotation)

하에서 불변이게 만들고, 이산 링(discrete ring) 상의 입자의 보손 아날로그(bosonic analogue)이다. 그러므로,

mod d는 우수한 양자 수이어서, 프로젝터에 의해

의 고유 공간을 구별할 수 있다:

(수식 8)

여기서 μ = 0, 1, …, d-1이다. 대응하는 캣 상태 기초는 수식 (3)을 다음 수식으로 일반화한다:

결맞음 상태들 사이의 오버랩(overlap)은 α에 따라 지수적으로 감쇠하기 때문에 수식 (2)에서 결맞음 상태 |αe _ν 〉와 캣 상태 |μ _α 〉 사이에 양자 푸리에 변환은 잘 분리된 체계, 즉

(|〈α|αe₁〉|² ≪ 1일 때 만족됨)일 때 유효하다. 결맞음 상태가 더 많으면 많을수록(d가 더 크면 클수록) 이 상태들을 분석하기 위해 펌핑해야 하는 횟수가 더 많아지는(α가 더 커지는) 것은 분명하다. 또한 수식 (2)에서 α → 0일 때 포크 상태(|μ〉)에 적절히 수렴되는 것이 주목된다.

상기 d = 2인 경우에 대해 위에서 설명한 루프 게이트와 충돌 게이트 모두는 d의 임의의 값에 대해 간단히 일반화된다(d = 3에 대해 도 6a 참조). 위상 게이트는 모든 다른 α _{ν '} (0)로부터 고립된 폐 경로 주위로 특정 α _ν (t)의 단열 전개를 포함한다. d개의 가능한 전개가 있고, 각 전개는 각 |αe _ν 〉에 위상을 부여한다. 충돌 게이트는 다음과 같이 수행된다: α가 충분히 큰 경우 |αe _ν 〉 구성으로 시작하고, α를 0으로(또는 0에 가까운 값으로) 튜닝하고, 다른 위상 αexp(iφ)으로 다시 펌프한 다음, 초기 구성으로 다시 회전한다. 각 |μ _α 〉는

에 비례하는 위상을 얻을 것이다. 동등하게, 이 게이트는 |αe _ν 〉들 사이에 전이를 유도한다. 도 6b는, 루프 게이트를 받는 |α ₀ 〉 및 (원점으로부터 변위된 위치에서 충돌하는) 충돌 게이트를 받는 |α ₁ 〉, |α ₂ 〉를 도시하는, d = 7에 대한 양자 시스템의 정상 상태의 임의의 구성을 도시한다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예에 대한 일부 양태를 설명하였으므로, 다양한 변경, 수정 및 개선이 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 용이하게 일어날 수 있는 것으로 이해된다.

이러한 변경, 수정 및 개선은 본 명세서의 일부인 것으로 의도되고, 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명의 장점이 지시되었지만, 본 명세서에 설명된 기술의 모든 실시예가 설명된 모든 장점을 포함하는 것은 아닐 수 있는 것으로 이해된다. 일부 실시예는 본 명세서에서 유리한 것으로 설명된 임의의 특징을 구현하지 않을 수도 있고, 일부 경우에 설명된 특징들 중 하나 이상을 구현하여 추가적인 실시예를 달성할 수도 있다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시일 뿐이다.

본 발명의 다양한 양태는 단독으로, 조합하여, 또는 전술한 실시예들에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 배열로 사용될 수 있으며, 따라서 그 적용이 상기 설명에 제시되거나 도면에 도시된 구성 요소들의 상세 및 배열로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서 설명된 양태들은 다른 실시예에서 설명된 양태들과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.

또한, 본 발명은 일례가 예시로서 제공된 방법으로서 구현될 수 있다. 방법의 일부로 수행된 동작은 임의의 적절한 방법으로 순서화될 수 있다. 따라서, 도시된 실시예에서는 순차적인 동작인 것으로 도시되어 있으나, 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과는 상이한 순서로 동작들이 수행되는 실시예를 구성할 수 있다.

청구범위에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어를 사용하여 청구범위의 구성 요소를 수식하는 것은 그 자체로 방법 동작이 수행되는 시간적 순서 또는 하나의 구성 요소에 대해 다른 구성 요소의 우선 순위, 우선권 또는 순서를 나타내는 것이 아니고, 단지 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 구성 요소를 동일한 명칭을 갖는 (그러나 서수 용어를 사용하는) 다른 청구항 구성 요소와 구별하여 청구항 구성 요소를 구별하기 위한 라벨로서 사용된 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는", "함유하는", "수반하는"이라는 용어와 그 파생어는 그 이후 열거된 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하는 것을 의미한다.

Claims (17)

1. 복수의 결맞음 양자 상태(coherent quantum state)를 갖는 제1 양자 시스템을 포함하고, 상기 제1 양자 시스템은 제2 양자 시스템에 결합된, 장치를 동작시키는 방법으로서,
   상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 에너지 전달을 자극하고, 에너지의 순 발산(net dissipation)이 상기 제2 양자 시스템으로부터 출력되게 하는 입력 에너지 신호를 상기 제2 양자 시스템에 제공하는 단계로서, 상기 입력 에너지 신호는, 상이한 주파수들을 갖고 진폭과 위상을 각각 갖는 적어도 2개의 성분을 포함하는, 상기 제공하는 단계; 및
   상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 하나 이상의 양자 상태의 변화를 야기하기 위해 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상을 단열적으로 변화시키는 단계를 포함하는, 장치를 동작시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 상기 하나 이상의 양자 상태의 변화는 상기 복수의 결맞음 양자 상태의 다른 결맞음 양자 상태들에 대해 상기 복수의 결맞음 양자 상태의 제1 결맞음 양자 상태의 위상 변화인, 장치를 동작시키는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 상기 하나 이상의 양자 상태의 변화는 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 제2 결맞음 양자 상태와 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 제3 결맞음 양자 상태 사이에 집단 전달(population transfer)인, 장치를 동작시키는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상의 상기 단열 변화는, 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분 각각의 진폭과 위상 각각이 상기 단열 변화의 전 및 후에 동일한 초기 값과 최종 값을 갖도록 수행되는, 장치를 동작시키는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템은 비선형 소자(non-linear element)를 통해 상기 제2 양자 시스템에 결합된, 장치를 동작시키는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 비선형 소자는 조셉슨 접합(Josephson junction)인, 장치를 동작시키는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양자 시스템은 제1 공진 공동(resonant cavity)이고,
   상기 제2 양자 시스템은 제2 공진 공동이고,
   상기 입력 에너지 신호는 입력 광자 신호이고,
   상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 상기 에너지 전달은 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 광자 변환을 포함하는, 장치를 동작시키는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 공진 공동의 품질(Q) 인자는 상기 제2 공진 공동의 Q 인자보다 더 큰, 장치를 동작시키는 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 입력 광자 신호의 제1 성분은 제1 주파수를 갖고, 상기 입력 광자 신호의 제2 성분은 제2 주파수를 갖고, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이는 상기 제1 공진 공동의 공진 주파수와 같은, 장치를 동작시키는 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 입력 광자 신호의 제3 성분은 상기 제2 공진 공동의 공진 주파수와 같은 제3 주파수를 갖는, 장치를 동작시키는 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 상기 광자 변환은 상기 제1 양자 시스템으로부터 상기 제2 양자 시스템으로의 광자 변환, 및 상기 제2 양자 시스템으로부터 상기 제1 양자 시스템으로의 광자 변환을 포함하는, 장치를 동작시키는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템으로부터 상기 제2 양자 시스템으로의 상기 광자 변환은,
    상기 제1 양자 시스템의 2개의 광자를 상기 제2 양자 시스템의 하나의 광자로 변환하는 것; 및
    상기 제1 양자 시스템의 하나의 광자를 상기 제2 양자 시스템의 하나의 광자로 변환하는 것
    의 중첩을 포함하는, 장치를 동작시키는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 입력 에너지를 제공하는 단계에 앞서, 상기 복수의 결맞음 상태들 중 적어도 2개의 결맞음 상태의 중첩(superposition)으로 상기 제1 양자 시스템을 초기화하는 단계를 더 포함하는, 장치를 동작시키는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템은 적어도 3개의 결맞음 양자 상태를 갖는, 장치를 동작시키는 방법.
15. 장치로서,
    복수의 결맞음 양자 상태를 갖는 제1 양자 시스템;
    상기 제1 양자 시스템에 결합된 제2 양자 시스템;
    적어도 하나의 에너지 소스; 및
    적어도 하나의 제어기를 포함하되, 상기 적어도 하나의 제어기는,
    상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 에너지 전달을 자극하고, 에너지의 순 발산이 상기 제2 양자 시스템으로부터 출력되게 하는 입력 에너지 신호를 상기 적어도 하나의 에너지 소스로부터 상기 제2 양자 시스템으로 제공하는 동작으로서, 상기 입력 에너지 신호는, 상이한 주파수들을 갖고 진폭과 위상을 각각 갖는 적어도 2개의 성분을 포함하는, 상기 입력 에너지 신호를 제공하는 동작; 및
    상기 제1 양자 시스템의 상기 복수의 결맞음 양자 상태 중 하나 이상의 양자 상태의 변화를 야기하기 위해 상기 입력 에너지 신호의 상기 적어도 2개의 성분의 진폭과 위상을 단열적으로 변화시키는 동작을 수행하도록 구성된, 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 제1 양자 시스템은 조셉슨 접합을 통해 상기 제2 양자 시스템에 결합된, 장치.
17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 양자 시스템은 제1 공진 공동이고,
    상기 제2 양자 시스템은 제2 공진 공동이며,
    상기 적어도 하나의 에너지 소스는 전자기 방사선 소스이고,
    상기 입력 에너지 신호는 입력 광자 신호이며,
    상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이에 상기 에너지 전달은 상기 제1 양자 시스템과 상기 제2 양자 시스템 사이의 광자 변환을 포함하는, 장치.

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