미래 양자 컴퓨터 플랫폼 위한 양자 칩 개발
반도체 재료를 미래 양자 컴퓨터 플랫폼으로 사용 가능성을 제시하는 연구가 나왔다.
덴마크 코펜하겐 대학(University of Copenhagen)의 양자 물리학자들은 동일한 양자 칩에서 여러 개의 스핀 큐비트( spin qubits)를 동시에 제어해 미래 양자 컴퓨터 개발을 위한 주요 장애물을 극복했다.
미래 실용적 양자 컴퓨터를 향한 엔지니어링 장애물 중 하나는 많은 기본 메모리 장치(큐비트)를 동시에 제어하는 것이다. 한 큐비트의 제어는 일반적으로 다른 큐비트에 적용되는 동시 제어 펄스에 의해 부정적인 영향을 받기 때문이다. 이제 코펜하겐 대학 Niels Bohr 연구소 Assoc 그룹의 양자물리학자 두 명은 Ferdinand Kuemmeth 교수와 이 장애물을 극복했다.
Google과 IBM은 초전도체 기술을 기반으로 하는 양자 프로세서에 대해 많은 노력을 기울이고 있지만 UCPH 연구 그룹은 스핀 큐비트로 알려진 반도체 큐비트에 베팅하고 있다.
Federico Fedele은 “대체로 말하자면, 양자점이라고 하는 반도체 나노구조에 갇힌 전자 스핀으로 구성되어 개별 스핀 상태가 제어되고 서로 얽힐 수 있다”고 설명했다.
스핀 큐비트는 양자 상태를 오랫동안 유지할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 잠재적으로 다른 플랫폼 유형보다 더 빠르고 완벽한 계산을 수행할 수 있다. 그리고 그것들은 너무 작아서 다른 큐비트 접근 방식보다 훨씬 더 많은 것을 칩에 집적할 수 있다. 큐비트가 많을수록 컴퓨터의 처리 능력이 커진다. UCPH 팀은 단일 칩의 2×2 어레이에서 4개의 큐비트를 제작하고 운영함으로써 최첨단 기술을 확장했다.
지금까지 양자 기술의 가장 큰 초점은 더 나은 큐비트를 생성하는 것이었다.
Anasua Chatterjee는 “이제 우리는 꽤 좋은 큐비트를 갖게 되었고, 게임의 이름은 양자 계산 오류를 수정할 수 있을 만큼 충분히 복잡하면서도 수많은 큐비트를 작동할 수 있는 회로에서 이들을 연결하는 것이다. 지금까지 스핀 큐비트에 대한 연구는 회로가 2×2 또는 3×3 큐비트 배열을 포함하는 지점. 문제는 해당 큐비트가 한 번에 하나씩만 처리된다는 것”이라고 말했다.
연구팀은 반도체 물질인 갈륨 비소로 만든 박테리아 크기보다 크지 않은 양자 회로를 만들었다.
두 명의 수석 저자 중 한 명인 Chatterjee는 “우리 칩의 새롭고 진정으로 중요한 점은 모든 큐비트를 동시에 작동하고 측정할 수 있다는 것이다. 이것은 이전에 스핀 큐비트나 다른 많은 유형의 큐비트를 통해 입증된 적이 없다”라고 말했다.
이 연구는 최근 Physical Review X Quantum 저널에 발표됐다.
연산과 측정을 동시에 수행할 수 있는 것은 양자 계산을 수행하는 데 필수적이다. 실제로 계산이 끝날 때 큐비트를 측정해야 하는 경우, 즉 결과를 얻기 위해 시스템을 중지해야 하는 경우 취약한 양자 상태가 붕괴된다. 따라서 모든 큐비트의 양자 상태가 동시에 종료되도록 측정이 동기화되는 것이 중요하다. 큐비트를 하나씩 측정하면 주변 소음이 조금만 있어도 시스템의 양자 정보가 바뀔 수 있다.
새로운 회로의 실현은 반도체 양자 컴퓨터로 가는 긴 여정의 이정표다.
연구를 지휘한 Kuemmeth 교수는 “더 강력한 양자 프로세서를 얻으려면 큐비트 수뿐만 아니라 동시 작업 수를 늘려야 한다”고 설명했다.
현재 주요 과제 중 하나는 칩의 48개 제어 전극을 수동으로 조정해야 하고 지속적으로 조정해야 한다는 것이다. 연구팀은 최적화 알고리즘과 기계 학습을 사용하여 튜닝을 자동화하는 방법을 연구했다. 더 큰 큐비트 어레이를 제작할 수 있도록 연구원들은 산업 파트너와 협력하여 차세대 양자 칩을 제작하기 시작했다. 전반적으로 컴퓨터 과학, 마이크로일렉트로닉스 공학 및 양자 물리학의 시너지 효과는 스핀 큐비트를 다음 이정표로 이끌 수 있다.
과학자들이 구축하려는 양자 컴퓨터의 두뇌는 스마트폰 마이크로칩의 비트와 유사한 많은 큐비트 배열로 구성된다.
유명한 차이점은 일반 비트는 데이터를 1 또는 0 상태로 저장할 수 있지만 큐비트는 두 상태 모두에 동시에 존재할 수 있다는 것이다(양자 중첩이라고 함). 이는 양자 컴퓨팅을 기하급수적으로 더 강력하게 만든다.
칩에 있는 4개의 스핀 큐비트는 반도체 물질인 갈륨 비소로 만들어진다. 4개의 큐비트 사이에는 4개의 큐비트를 서로 연결하는 더 큰 양자점이 있으며 연구원들은 모든 큐비트를 동시에 조정하는 데 사용할 수 있다.
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