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본 논문은 트랩 이온 프로세서의 확장성 문제를 해결하기 위해 다준위 내부 구조를 활용한 하드웨어 네이티브 하이브리드 쿼딧-진동자 명령어 세트를 제안합니다. 이 아키텍처는 단일 쿼딧으로 전체 전자 만폴드를 저장하여 모든 결합을 국소적인 이온 내부 전이로 처리하며, ISA 컴파일이 가능해져 효율성이 높아집니다.
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원문 바로가기트랩 이온 프로세서의 확장성을 이온 추가만으로 늘리는 것은 여전히 어렵습니다. 이를 보완하는 방법은 각 이온의 다준위 내부 구조를 활용하여 이온당 계산 힐베르트 공간을 증가시키는 것입니다. 본 논문에서는 일반적인 d-레벨 내부 레지스터가 보손 모드에 결합된 하드웨어 네이티브 하이브리드 쿼딧-진동자 명령어 세트를 소개하고, 그 기본 연산 계열 중 세 가지만으로도 여러 모드에 연결된 하나의 쿼딧의 범용성을 충분히 확보할 수 있음을 증명합니다. 이온 간의 얽힘(entangling) 연산을 추가하면 여러 개의 쿼딧이 연결된 레지스터 전체로 범용성이 확장됩니다. 이 아키텍처는 위상 공간(phase-space) 명령어 세트와 사이드밴드(sideband) 명령어 세트를 모두 네이티브하게 지원하며, 오픈 소스 프레임워크인 HybridLane에 구현되었습니다. 대표적인 응용 사례로, 이전에 하이브리드 큐비트-진동자 초전도 플랫폼에서 시뮬레이션되었던 삼색소 복합체의 소산성 진동전자역학(dissipative vibronic dynamics)을 재현했습니다. 하나의 상태당 하나의 큐비트를 사용하는 레지스터에서 단일 쿼딧으로 이동하면 전체 전자 만폴드(electronic manifold)를 하나의 이온에 저장할 수 있게 되어, 모든 전자 결합이 국소적인 이온 내부 전이(intra-ion transition)가 되고 실험실 프레임 해밀토니안은 ISA(Instruction Set Architecture)로 직접 컴파일됩니다. 40Ca+ 쿼딧 프로세서에서 제시된 순차적 타이밍 모델 하에, 하나의 트로터 스텝(Trotter step)이 쿼딧에서는 약 10배 더 빠르게 실행될 것으로 예상되며, 공개된 참고 자료 대비 평균 RMSE는 약 1.1% 수준입니다.