대규모 양자 컴퓨터는 새로운 약물 및 재료 설계와 같은 혁신적인 응용 프로그램을 통해 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터도 다루기 어려운 문제를 해결할 수 있다.

영국 브리스톨 대학교(University of Bristol) 물리학자 팀은 대규모 양자 광학(quantum photonics)을 위한 최초의 통합 광자 소스를 개발했다.

통합 양자 포토닉스(Integrated quantum photonics)는 소형의 복잡한 광학 회로에서 단일 광입자인 광자를 생성하고 제어할 수 있는 능력으로 인해 양자 기술을 개발할 수 있는 유망한 플랫폼이다. CMOS 실리콘 산업을 활용하면 수천 개의 광섬유 및 구성 요소가 있는 회로를 단일 밀리미터 규모의 칩에 통합할 수 있다.

통합 양자 광자 스케일링을 제한한 중요한 과제는 고품질 단일 광자를 생성할 수 있는 온칩 소스가 없다는 것이었다. 저잡음 광자 소스가 없으면 회로 복잡도를 증가시킬 때 양자 계산 오류가 빠르게 누적돼 계산이 더 이상 신뢰할 수 없게 된다. 더욱이, 소스에서 광학적 손실은 양자 컴퓨터가 생성하고 처리할 수 있는 광자 수를 제한한다

수석 저자 스테파노 파사니(Stefano Paesani) 박사는 “대규모 양자 광자에 호환되는 최초의 통합 광자 소스를 개발했다. 고품질 광자를 달성하기 위해 실리콘 웨이브가이드를 통해 전파되는 다중모드 광이 비선형 간섭으로 단일 광자를 생성하기 위한 이상적 조건을 생성하는 새로운 기술’inter-modal spontaneous four-wave mixing’을 개발했다”고 말했다.

이탈리아 트렌토대(University of Trento)의 동료들과 함께 브리스톨의 양자공학기술연구소(Quantum Engineering Technology Labs ,QETLabs) 엔소니 랭(Anthony Laing) 연구팀은 광자 양자 컴퓨팅을 위한 광학 양자 정보 처리 단위 벤치마킹 실험(4-photon heralded HOM experiments)에서 지금까지 관찰된 최고 품질의 온칩 광 양자 간섭을 얻었다(96 % 가시성).

실리콘 광소자는 상용 파운드리에서 CMOS 호환 공정을 통해 제작됐기 때문에 단일 장치에 수천 개의 소스를 쉽게 통합할 수 있다.

연구팀은 이전에 광자 양자 정보 처리의 스케일링을 제한했던 주요 노이즈 세트를 해결했다. 수백 개의 소스 배열을 통합, 분자 역학 시뮬레이션 또는 그래프 이론과 관련된 특정 최적화 문제와 같은 특수한 작업을 해결하기 위해 수십 개의 광자를 처리할 수 있는 노이즈 중간 규모 양자(NISQ) 광자 머신을 구축할 수 있다고 설명했다.

파사니 박사는 “앞으로 몇 개월 동안 실리콘 플랫폼의 확장성으로 인해 단일 칩에 수십에서 수백개의 광 소스 배열을 통합할 수 있다. 이러한 규모로 회로를 개발하면 NISQ 광자 양자 기계가 현재 슈퍼 컴퓨터의 기능을 넘어 산업 관련 문제를 해결할 수 있다. 또한, 우리의 기술은 광자 소스의 고급 최적화 및 소형화를 통해 통합 광자 플랫폼에서 내결함성 양자 작업으로 이어질 수 있어 양자 컴퓨터의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있다”고 말했다.

연구는 19일(현지시각) 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표됐다.

*Paesani, S., Borghi, M., Signorini, S. et al. Near-ideal spontaneous photon sources in silicon quantum photonics. Nat Commun 11, 2505 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16187-8