낮은 오류로 양자 컴퓨팅과 동시에 양자 프로세서 사이에서 정보를 빠르게 공유할 수 있는 양자 컴퓨팅 아키텍처가 개발됐다. 완전한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 향한 핵심 기술이다.

양자 프로세서는 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 속도로 작업을 수행할 수 있지만 프로세서 사이에서 양자 정보를 제어 가능하게 통신하는 것은 어렵다. 고전적인 컴퓨터는 계산 과정에서 연결된 프로세서를 통해 정보를 주고받는다. 양자 컴퓨터에서 정보 자체는 양자 역학적이며 취약하다. 칩의 양자 정보를 동시에 처리하고 통신하기 위한 근본적으로 새로운 전략을 필요로한다.

MIT 링컨연구소(Lincoln Laboratory) 펠로우, 전기공학 및 컴퓨터과학 부교수 윌리엄 올리버 (William Oliver)는 “양자 컴퓨터 스케일링의 주요 과제 중 하나는 큐비트(Quibit)가 동일한 프로세서에 위치하지 않을 때에도 상호 작용할 수 있도록 하는 것”이라고 말했다.

예를 들어 인접한 이웃 큐비트는 쉽게 상호작용할 수 있지만 먼 거리에서 큐비트를 연결하는 ‘양자 상호연결’을 만들려면 기존의 빛-물질 상호 작용 그 이상이 필요하다. 자연 원자는 그들이 상호 작용하는 빛의 파장에 대해 작은 점과 비슷하다.

네이처(Nature) 지에 29일(현지시각) 게재된 논문에서, 연구원들은 작은 원자를 여러 개의 분리된 개별 위치에서 도파관에 결합해 거대 원자(giant-atom)를 실현하는 대체 아키텍처를 소개했다. 거대 원자는 초전도 양자 비트(quantum bits) 또는 큐비트로부터 조정 가능한 구성으로 마이크로파 전송 도파관(waveguide)으로 연결됐다.

거대 원자는 연구원들이 큐비트-도파관 상호 작용의 강도를 조정해 깨지기 쉬운 큐비트가 결어긋남(decoherence)이나 도파관에 의한 빠른 자연적인 붕괴로부터 고 충실도 작업을 수행할 수 있도록 보호한다.

일단 연산이 수행되면 큐비트-도파관 커플링 강도가 재조정되고, 큐비트는 양자 데이터를 광자 또는 광 입자 형태로 도파관으로 방출할 수 있다.

MIT 대학원생이자 논문의 제1저자 바라스 케난(Bharath Kannan)은 “규비트를 도파관에 결합하는 것은 일반적으로 큐비트 작동에 매우 나쁘다. 그러나 프로세서 전체에서 양자 정보를 방출하고 라우팅하려면 도파관이 필요하다. 우리는 도파관과 강하게 결합해도 큐비트의 일관성을 유지할 수 있음을 보여주었다. 그런 다음 큐비트에 저장된 정보를 언제 방출할 것인지 결정할 수 있다”고 설명했다.

원자를 상호작용하는 빛의 파장이 아닌 작은 점과 같은 물체로 취급하는 모델과 달리 초전도 큐비트 또는 인공 원자(artificial atoms)는 본질적으로 큰 전기 회로다. 이들은 도파관과 결합될 때, 상호 작용하는 마이크로파 빛 파장만큼 큰 구조를 생성한다. 거대 원자는 도파관을 따라 여러 위치에서 마이크로파 광자로 정보를 방출해 광자가 서로 간섭한다.

이 프로세스는 파괴적인 간섭을 조정, 큐비트의 정보를 보호한다. 나아가 거대 원자에서 실제로 광자가 방출되지 않더라도, 도파관을 따라 다수의 큐비트는 여전히 서로 상호작용하며 작업을 수행할 수 있다. 전체적으로 큐비트는 도파관에 강력하게 연결돼 있지만 이러한 유형의 양자 간섭으로 인해 영향을 받지 않고 결맞음을 유지, 단일 및 2큐비트 작업을 고 충실도로 수행할 수 있다.

올리버는 “거대한 원자에 의해 가능해진 양자 간섭 효과를 사용하여 큐비트가 양자 정보를 필요할 때까지 도파관으로 방출하는 것을 방지한다”고 말했다.

케난은“이것은 자연 원자로는 접근하기 어려운 물리학의 새로운 체제를 실험적으로 조사할 수있게 한다. 거대한 원자의 영향은 매우 깨끗하고 관찰하고 이해하기 쉽다. 놀라운 점 중 하나는 실제로 초전도 큐비트가 이 거대한 원자 영역에 쉽게 들어갈 수 있다는 것이다. 이는 비교적 단순하므로 추가 오버 헤드없이 추가 응용 프로그램에 이를 사용할 수 있다”고 말했다.

ETH 취리히의 고체 물리학과 안드레아스 월라프(Andreas Wallraff) 교수는 “이 연구는 전자나 원자와 같은 미세한 물체에 대해 추측하기 어렵거나 불가능한 양자 물리학을 조사하지만 거시적으로 설계된 초전도 양자점으로 연구할 수있다”. 이 회로를 사용하면 거대한 원자를 붕괴로부터 보호하고 동시에 두 원자를 일관되게 결합할 수 있습니다. 이것은 도파관 양자 전기 역학을 탐구하는 아주 훌륭한 작업”이라고 말했다.

거대 원자에 통합된 큐비트의 결맞음 시간, 즉 양자 상태로 남은 시간은 약 30 마이크로 초로, 도파관에 연결되지 않은 큐비트의 10~100 마이크로 초 범위에 해당한다. 이 연구는 94%의 충실도로 2큐비트 얽힘 작업을 보여준다.

연구자들이 도파관에 강하게 결합된 큐비트에 대한 2큐비트 충실도를 인용한 것은 처음이다. 기존의 작은 원자를 사용하는 이러한 연산의 정확도는 매우 낮았다.

*Kannan, B., Ruckriegel, M.J., Campbell, D.L. et al. Waveguide quantum electrodynamics with superconducting artificial giant atoms. Nature 583, 775–779 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2529-9