국제 연구팀이 양자 컴퓨터 처리 능력을 크게 향상할 수있는 새로운 방법을 발견했다.

영국 노팅엄대(University of Nottingham)와 스웨덴 스톡홀름대(University of Stockholm) 과학자들은 새로운 실험적 접근법 으로 이온 포획 양자 컴퓨팅 가속화를 시도했다. 연구팀은 포획된 리드버그(Rydberg) 이온을 활용했다.

연구 결과는 4월 15일(현지시각) 과학저널 네이처(Nature)에 출판됐다.

고전 컴퓨터에서, 논리 게이트는 실리콘 기반 비트로 구성된다. 정보는 비트 두 가지 고전적인 상태 0 과 1로 인코딩된다. 이는 클래식 컴퓨터의 용량이 비트 수에 따라 선형적으로 증가 함을 의미한다.

양자 얽힘

양자 컴퓨터는 양자 게이트, 즉 원자 및 분자와 같은 미세한 양자 입자로 만들어진 양자 비트(quantum bits) 또는 큐비트(qubits)를 기본 회로로 작동된다. 양자 컴퓨터에서 근본적으로 새로운 메커니즘은 양자 얽힘을 이용하는 것인데, 양자 얽힘은 두 개 또는 한 그룹의 큐비트를 함께 묶는게 가능하다.

양자 컴퓨터의 용량은 큐비트 수에 따라 기하 급수적으로 증가한다. 양자 얽힘의 효율적인 사용은 암호화, 재료 및 의학과 같은 영역에서 어려운 문제를 처리할 수있는 양자 컴퓨터의 용량을 크게 향상한다.

양자 컴퓨터를 만드는 데 사용할 수 있는 여러 가지 물리적 시스템 중에서 이온 포획 장치는 수년간 이 분야를 선도해 왔다. 대규모 이온 포획 양자 컴퓨터에 대한 주요 장애물은 시스템이 확장될 때 컴퓨팅 작업이 느려진다는 것이다.

이 새로운 연구는 이 문제에 대한 해답을 찾았다. 실험은 마커스 헨리히(Markus Hennrich) 그룹이 일반 원자 또는 이온보다 100만 배 큰 거대한 리드버그(Rydberg) 이온으로 수행했다. 이 거대한 이온은 상호작용이 뛰어나고 마이크로 초 이내에 양자 정보를 교환한다. 이온들 간 상호 작용은 양자 얽힘(quantum entanglement)을 만든다.

스톡홀름대의 치 장(Chi Zhang)과 동료들은 얽힘 상호 작용을 활용해 이온 포획 시스템에서 일반적인 수준보다 약 100배 더 빠른 양자 컴퓨팅 작업(an entangling gate)을 수행했다.

치 장은 “일반적으로 양자 게이트는 더 큰 시스템에서 느려진다. 이것은 일반적으로 양자 게이트와 리드버그 이온 게이트의 경우에는 예외다. 이 로직 게이트는 양자 컴퓨터가 실제로 유용한 크기로 확장 될 수있게한다”고 말했다.

실험을 지원하고 오류를 조사하는 이론적 계산은 노팅엄대 웨이빈 리(Weibin Li)와 이고르 레자노브스키(Igor Lesanovsky)가 수행했다. 그들의 이론적 연구는 이온 결정이 커지는 모델에서 실제로 둔화가 예상되지 않았으며, 이는 확장 가능한 양자 컴퓨터를 전망 했다.

연구에 따르면 작동 모드에 대한 잔류 커플링(residual coupling)은 100개 이온의 큰 이온 결정에서 대략 10의 -4제곱의 게이트 오류를 유발한다고 예측한다. 이는 이온 포획 양자 컴퓨터와 시뮬레이터를 실질적으로 가속화하고 확장하는 방법을 제공한다.

노팅엄대 웨이빈 리 교수는 “우리의 이론적 분석에 따르면 갇힌 리드버그 이온 양자 컴퓨터는 빠를 뿐만 아니라 확장 가능하며 환경에 대한 걱정없이 대규모 양자 계산이 가능하다. 잡음 이론과 실험적 연구는 트랩 된 리드버그 이온을 기반으로 한 양자 계산이 빠른 양자 게이트를 구현하기 위한 새로운 경로를 열고 동시에 다른 시스템에서 발견되는 많은 장애물을 극복 할 수 있음을 보여준다”고 설명했다.

* Chi Zhang, Fabian Pokorny, Weibin Li, Gerard Higgins, Andreas Pöschl, Igor Lesanovsky, Markus Hennrich. Submicrosecond entangling gate between trapped ions via Rydberg interactionNature, 2020; 580 (7803): 345 DOI: 10.1038/s41586-020-2152-9