대규모 양자 컴퓨팅을 위한 새로운 접근법이 개발됐다.

스위스 취리히 연방공대(ETH Zurich) 요나단 홈(Jonathan Home)과 IQE(Institute for Quantum Electronics)의 동료들은 가장 안정적인 방식으로 이온 트랩( ion trap) 칩 내에서 정확한 위치에 여러 레이저 빔을 정확하게 보낼 수 있는 새로운 방법을 시연했다.

이를 통해 원자에 대한 섬세한 양자계산을 수행할 수 있다. 양자 컴퓨터를 목표로 양자 컴퓨터(quantum computers)를 만드는 것은 30년 이상 물리학자들의 야심 찬 목표였다. 전기장에 갇힌 전하를 띤 원자(이온)는 양자 컴퓨터가 계산에 사용하는 양자 비트 또는 큐비트의 이상적인 후보로 밝혀졌다.

지금까지 약 12큐비트를 포함하는 양자 컴퓨터는 이런 방식으로 실현될 수 있었다. 최근 과학저널 네이처(Nature)에 게재된 연구의 제1저자 카란 메타(Karan Mehta)는 “실질적으로 관련된 응용 프로그램에 필요할 수 있는 수천 큐비트를 가진 양자 컴퓨터를 구축하려는 경우 현재 구현은 몇 가지 주요 장애물이 있다”고 말한다.

도파관이 통합 된 이온 트랩. 두 개의 갇힌 이온(파란색)을 제어하기 위한 레이저 광 (빨간색)은 칩 내부의 이온 트랩으로 전달된다. credit : Chiara Decaroli / ETH Zurich.

문제는 레이저에서 진공 장치로 몇 미터에 걸쳐 레이저 빔을 보내 극저온 유지 장치 내부의 이온을 제어 방법이다. 극저온 장치는 이온 트랩 열 교란을 최소화하기 위해 절대 영도 가까이 냉각한다.

이미 현재의 소규모 시스템에서 기존의 광학 장치는 소음과 오류의 중요한 원인이며 확장을 시도할 때 관리하기가 훨씬 더 어렵다. 큐비트를 더 많이 추가할수록 제어하는 데 필요한 레이저 빔의 광학 장치가 더 복잡해진다.

이온을 포획하기 위한 전극을 포함하는 칩에 작은 도파관을 통합, 연구팀은 이온에 직접 빛을 보낼 수 있었다. 이러한 방식으로 저온 유지 장치 또는 장치의 다른 부분의 진동이 훨씬 적은 방해를 생성한다.

연구진은 이온 트랩(ion trap)을 위한 금 전극과 더 깊은 층에 레이저 광 도파관을 모두 포함하는 칩을 생산하기 위해 상업적 파운드리에 의뢰했다. 칩의 한쪽 끝에서 광섬유가 빛을 100나노 미터 두께의 도파관을 통해 칩 내부에 효과적으로 광 배선을 형성한다. 이러한 각 도파관은 칩의 특정 지점으로 연결되어 결국 빛이 표면에 갇힌 이온 쪽으로 편향한다.

ETH 연구팀은 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 중요한 전제 조건인 서로 다른 원자 사이의 낮은 오류 양자 논리 게이트를 구현하는데 사용할 수 있도록 기술을 개발했다.

고 충실도 로직 게이트

기존 컴퓨터 칩에서 논리 게이트는 AND 또는 NOR과 같은 논리 연산을 수행하는 데 사용된다. 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 큐비트에서 이러한 논리 연산을 수행 할 수 있는지 확인해야 한다. 문제는 2개 이상의 큐비트에 작용하는 로직 게이트가 특히 방해에 민감하다. 이는 두 개의 이온이 동시에 중첩 상태(얽힘 상태라고도 함)인 취약한 양자 기계적 상태를 생성하기 때문이다. 이러한 중첩에서 하나의 이온 측정은 두 이온이 직접 접촉하지 않고 다른 이온 측정 결과에 영향을 준다. 이러한 중첩 상태의 생성이 얼마나 잘 작동하는지, 따라서 논리 게이트가 얼마나 좋은지는 소위 충실도에 의해 표현된다.

새로운 칩으로 연구팀은 2큐비트 로직 게이트를 수행하고 이를 사용하여 지금까지 최고의 기존 실험에서만 달성 할 수 있었던 충실도의 얽힌 상태를 생성할 수 있었다.

연구원들은 매우 안정적이며 확장이 가능하기 때문에 미래 이온 트랩 양자 컴퓨터에 대한 접근 방식이 될 것으로 본다. 그들은 현재 한 번에 최대 10큐비트를 제어하도록 고안된 다른 칩으로 작업하고 있다. 또한 광 배선으로 가능해진 빠르고 정밀한 양자 연산을 위한 새로운 디자인을 개선하고 있다.

*Karan K. Mehta et al. Integrated optical multi-ion quantum logic, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2823-6