Way to Quantum Computing
백신 및 의약품 개발, 인공지능, 교통 및 물류, 기후 과학 등은 모두 본격적인 양자 컴퓨터 개발에 따라 달라지는 분야입니다.
그리고 지난 10년 동안 양자 컴퓨팅 투자는 폭발적으로 증가했습니다.
다만 현재 양자 프로세서는 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 100 큐비트가 채 되지 않아 상대적으로 크기가 작습니다.
비트(Bit)는 컴퓨팅에서 정보의 최소 단위이며, 큐비트라는 용어는 "양자 비트"에서 파생되었습니다.
초기의 양자 프로세서는 양자 컴퓨팅의 잠재력을 입증하는 데 매우 중요했지만,
세계적으로 중요한 응용 프로그램을 달성하기 위해서는 백만 큐비트 이상의 프로세서가 필요할 것입니다.
우리의 새로운 연구는 양자 컴퓨터 확장의 핵심 이슈를 다룹니다.
우리는 어떻게 몇 개의 큐비트를 제어함으로써 수백만 큐비트를 제어할 수 있을까요?
Science Advances에 발표된 연구는 솔루션을 제공할 수 있는 새로운 기술을 보여줍니다.
양자 컴퓨터란 정확히 무엇인가?
양자 컴퓨터는 양자 정보를 보관하고 처리하기 위해 큐비트를 사용합니다.
전통적인 컴퓨터의 정보 비트와는 달리 큐비트는 "중복"과 "엉킴"으로 알려진 자연 양자 속성을 사용하여
일부 계산을 클래식 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 수행합니다.
0이나 1로 표현되는 기존 비트와는 달리 큐 비트는 동시에 두 가지 상태(즉, 0과 1)로 존재할 수 있습니다.
이를 중첩 상태라고 합니다.
구글과 다른 제조업체들의 시연은 초기 단계의 양자 컴퓨터가 고도로 전문화된(특별히 유용하지는 않지만) 작업에서
지구상에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 성능이 뛰어나다는 것을 보여줍니다.
다시 말해, 우리는 양자 우위의 이정표에 도달했습니다.
초전도 전기회로를 사용하는 구글의 양자 컴퓨터는 53큐빗에 불과하고
최첨단 냉장고에서 섭씨 -273도에 가까운 온도로 냉각됐습니다.
이 극한 온도는 열을 제거하기 위해 필요하며,
깨지기 쉬운 큐비트에서 오류를 발생시킬 수 있습니다.
이런 종류의 시연도 중요하지만,
지금 도전은 더 많은 큐비트를 가진 양자 프로세서를 만드는 것입니다.
UNSW 시드니에서는 일상적인 컴퓨터 칩에 사용되는 것과 동일한 재료인 실리콘으로 양자 컴퓨터를 만들기 위한 주요 노력이 진행 중입니다.
기존 실리콘 칩은 섬네일 크기로 수십억 비트로 패키징돼 있어 이 기술을 활용해 양자컴퓨터가 구축될 가능성이 높습니다.
제어 문제
실리콘 양자 프로세서의 정보는 칩 표면의 작은 전극 아래에 갇힌 개별 전자에 저장됩니다.
특히 큐 비트는 전자 스핀으로 코딩됩니다.
그것은 전자 안에 있는 작은 나침반으로 묘사될 수 있습니다.
나침반 바늘은 상태 0과 1을 나타내는 북쪽 또는 남쪽을 가리킬 수 있습니다.
모든 양자 계산에서 발생하는 작동 가중치 상태(0과 1 모두)에서 큐 비트를 설정하려면 제어 신호를 필요한 큐 비트로 전송해야 합니다. 실리콘 큐비트의 경우, 이 제어 신호는 5G 네트워크를 통해 전화기를 운반하는 데 사용되는 마이크로파 필드 형태입니다. 마이크로파는 스핀(나침반 바늘)을 회전시키기 위해 전자와 상호 작용합니다.
각 대기열 비트에는 현재 자체 마이크로파 제어 필드가 필요합니다.
상온에서 영하 273도에 가까운 냉장고 바닥까지 이어지는 케이블을 통해 양자칩으로 전달됩니다.
각 케이블은 열을 발생시키므로 양자 프로세서에 도달하기 전에 제거해야 합니다.
50 큐빗 정도인 오늘날의 최첨단 기술은 어렵지만 관리할 수 있습니다.
현재의 냉장고 기술은 케이블 열부하를 처리할 수 있습니다.
그러나 백만 큐비트가 넘는 시스템을 사용하는 데는 큰 장애가 됩니다.
해결책은 글로벌 컨트롤입니다.
제어 신호를 수백만 개의 스핀 큐비트에 전송하는 방법의 문제에 대한 우아한 해결책은 1990년대 말에 제안되었습니다.
"글로벌 컨트롤"의 개념은 간단했습니다.
그것은 단일 마이크로파 제어 필드를 모든 양자 프로세서에 브로드캐스트하는 것이었습니다.
전압 펄스는 큐빗 전극에 로컬로 인가되어 개별 큐빗이 전역 필드와 상호 작용하여 중복 상태를 생성할 수 있습니다.
칩에서 이러한 전압 펄스를 생성하는 것이 다수의 마이크로파 필드를 생성하는 것보다 훨씬 쉽습니다.
이 솔루션은 하나의 제어 케이블만 필요하며 눈에 띄는 온칩 마이크로파 제어 회로를 제거합니다.
양자 컴퓨터의 세계적 통제는 20년 이상 동안 아이디어로 남아있었습니다.
연구진은 양자칩과 통합해 적절한 저전력으로 마이크로파장을 생성할 수 있는 적절한 기술을 내놓지 못했습니다.
우리의 연구에서, 우리는 유전자 공진기로 알려진 구성 요소들이 마침내 받아들여질 수 있다는 것을 보여주었습니다.
유전체 공진기는 마이크로파를 짧은 시간 동안 가두는 작고 투명한 결정체입니다.
공명으로 유명한 마이크로파 트랩은 스핀 큐비트와 더 오래 상호 작용할 수 있게 해주며 제어 필드를 생성하는 데 필요한 마이크로파 전력을 크게 감소시킵니다.
이것은 냉장고 내부의 기술을 작동하는 데 필수적이었습니다.
실험에서 유전체 공진기를 사용하여 최대 400만 큐비트를 포함할 수 있는 영역에 제어 필드를 생성했습니다.
이번 시연에 사용된 양자칩은 큐비트가 2개인 소자였습니다.
우리는 수정에 의해 생성된 마이크로파가 각각의 스핀 상태를 뒤집을 수 있음을 보여줄 수 있었습니다.
본격적인 양자 컴퓨터로 가는 길
이 기술이 100만 큐비트를 제어하는 작업에 이르기까지 아직 수행해야 할 작업이 있습니다.
우리 연구를 위해 큐비트의 상태를 뒤집을 수 있었지만 아직 임의의 중첩 상태를 생성하지 않았습니다.
이 중요한 기능을 입증하기 위한 실험이 진행 중에 있습니다.
또한 유전체 공진기가 양자 프로세서의 다른 측면에 미치는 영향에 대해 더 연구해야 합니다.
그렇긴 하지만, 우리는 이러한 엔지니어링 문제가 궁극적으로 극복할 수 있을 것이라고 믿습니다.
즉, 대규모 스핀 기반 양자 컴퓨터를 실현하는 데 가장 큰 장애물 중 하나를 해결하는 것입니다.
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