One of the advantages of using Rydberg atom arrays in quantum computing and quantum simulation is the capability of realizing an arbitrary pairwise coupling network of interacting atoms. In this thesis, the atom arrangement algorithm previously developed for two-dimensional arrays is reconstructed to apply for three-dimensional arrays, by adding a tunable-focus imaging system. As-constructed three-dimensional atom arrays are used to experimentally perform the quantum simulations of the quantum Ising Hamiltonians of up to six-vertex mathematical graphs. The time-evolutions of the many-body quantum wave functions are observed and Fourier-transformed to obtain the many-body eigenenergies of quantum Ising Hamiltonians of the many-body system being continuously deformed from one graph to the other. Furthermore, Rydberg quantum wires are proposed and implemented by using auxiliary atom chains, to experimentally demonstrate the non-planar graphs and high-degree vertex graphs, and applied to solve the maximum independent set problems.
리드버그 원자를 기반으로 한 양자 계산 및 양자 전산모사 장치의 주요 강점은 임의의 원자간 상호작용에 의한 연결을 구현하도록 원자배열을 만드는 기능이다. 본 학위논문에서는 기존의 2차원 원자배열 제작 알고리즘을 3차원으로 확장하고, 초점 가변 이미징 시스템을 추가하여 3차원 리드버그 원자 배열을 제작하였다. 이러한 원자 배열은 그래프로 대응되며, 6개 이하 원자에 대한 몇 가지 그래프의 양자 이징 모형 해밀토니안을 구현하였다. 관찰된 시간 동역학을 푸리에 분광법을 이용하여 양자 이징 해밀토니안의 고유 에너지를 측정하였고, 3차원 공간에서 원자 배열의 구조적 변화에 대한 고유 에너지 변화를 분석하였다. 또한 3차원 원자 배열로도 구현에 한계가 있는 비 평면 그래프와 높은 차수의 그래프를 리드 버그 양자 선이라 불리는 보조 원자배열을 이용하여 구현하였다. 이렇게 구현된 그래프에 대한 최대독립집합 문제의 해를 구하였다.
