현재 개발 중인 초기 양자 컴퓨터에서 계산 속도를 높이는 알고리즘이 개발됐다. 양자 물리학자들은 계산의 효율성을 높이기 위해 양자 컴퓨터에서 이온 또는 하전된 원자를 라우팅하는 새로운 방법을 제시했다.

영국 서섹스 대학(University of Sussex) 연구팀은 새로운 ‘라우팅 알고리즘’을 사용해 양자 컴퓨터에서 계산을 가장 효율적으로 수행할 수 있는 방법을 보였다. 논문(Efficient Qubit Routing for a Globally Connected Trapped Ion Quantum Computer)은 ‘Advanced Quantum Technologies’ 저널에 게재됐다.

과학자들은 바쁜 도시에서 교통량을 관리하는 것처럼 양자 컴퓨터 내에서 트래픽을 조절하는 새로운 알고리즘을 만들었다. 이온 포획 양자 컴퓨터 설계에서 큐비트는 물리적으로 장거리로 이동할 수 있으므로 다른 큐비트와 쉽게 상호 작용할 수 있다. 그들의 새로운 알고리즘은 데이터가 ‘교통 체증’없이 흐를 수 있게 해 더 강력한 양자 컴퓨팅을 돕는다.

양자 컴퓨터(Quantum Computer)는 기존 컴퓨터로는 불가능한 복잡한 문제를 해결할 것으로 기대된다. 양자 컴퓨터는 양자 비트인 큐비트(qubits)를 사용하여 새롭고 강력한 방식으로 정보를 처리한다.

연구팀이 먼저 분석한 특정 양자 컴퓨터 아키텍처는 ‘이온 포획(trapped ion)’ 양자 컴퓨터로, 개별 하전된 원자 또는 이온이 칩 표면 위로 떠오르는 실리콘 마이크로 칩으로 구성된다. 이 이온은 데이터를 저장하는 데 사용되며 각 이온은 하나의 양자 비트 정보를 보유한다. 이러한 양자 컴퓨터에서 계산을 실행하려면 이온이 적절히 이동해야 하며 데이터(이온)를 더 빠르고 효율적으로 이동할수록 양자 컴퓨터가 더 강력해진다.

대규모 양자 컴퓨터를 만들기 위한 글로벌 경쟁에는 IBM과 구글(Google)과 같은 그룹이 중점을 두는 초전도 장치와 하니웰(Honeywell), 유니버셜 퀀텀(Universal Quantum) 등에서 사용하는 이온 포획 장치의 두 가지 주요 방법이다.

초전도 양자 컴퓨터에는 일반적으로 서로 바로 옆에 있는 큐비트와만 상호 작용할 수 있는 고정 큐비트가 있다. 원거리 큐비트를 포함하는 계산은 전화 게임과 유사한 프로세스인 인접한 큐비트 체인을 통해 통신해 수행된다. 여기서 정보는 체인을 따라 전송된다. 전화 게임에서와 마찬가지로 정보는 체인이 길수록 더 손상되는 경향이 있다. 실제로 연구원들은 이 과정이 초전도 양자 컴퓨터의 계산 능력을 제한함을 밝혔다.

반대로, 이온 포획 아키텍처에 대한 새로운 라우팅 알고리즘을 도입한 서섹스대 IQT(Ion Quantum Technology) 그룹 과학자들은 양자 컴퓨팅 접근 방식이 인상적 수준의 계산 능력을 달성할 수 있음을 발견했다. ‘양자볼륨(Quantum Volume)’은 단기 양자 컴퓨터의 계산 능력을 비교하는 데 사용되는 새로운 벤치 마크다. 그들은 양자 볼륨을 사용하여 초전도 큐 비트 모델과 아키텍처를 비교, 두 접근 방식에 대해 비슷한 수준의 오류를 가정했다.

연구팀은 라우팅 알고리즘이 본질적으로 큐비트가 더 많은 큐비트와 직접 상호 작용할 수 있게 해 결과적으로 더 높은 예상 계산 능력을 제공하기 때문에 트랩 이온 방식이 초전도 큐비트 방식보다 일관되게 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 발견했다.

이 프로젝트는 윈프리드 헨싱어(Winfried Hensinger) 교수가 이끌고 마크 웨버(Mark Webber), 스티븐 허버트(Steven Herbert) 박사 및 세바스찬 웨이트(Sebastian Weidt) 박사가 참여했다.

서섹스 양자 기술 센터의 박사 연구원 마크 웨버는 “우리의 연구는 갇힌 이온 장치의 근본적인 이점을 보여준다. 새로운 라우팅 알고리즘을 통해 초기 양자 컴퓨터의 성능을 극대화할 수 있다”거 말했다.

서섹스 양자 기술 센터 소장 헨싱어 교수는 “실제로 이 작업은 실제 문제를 해결할 수있는 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 또 다른 디딤돌”이라고 말했다.

헨싱어 교수와 세바스찬 웨이트 박사는 최근 세계 최초의 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 것을 목표로하는 스핀 아웃 회사 유니버셜(Universal Quantum)을 설립했다. 이 팀은 2017년 대규모 이온 트랩 양자 컴퓨터를 구축하는 방법에 대한 청사진을 밝혔다.

*Mark Webber et al, Efficient Qubit Routing for a Globally Connected Trapped Ion Quantum Computer, Advanced Quantum Technologies (2020). DOI: 10.1002/qute.202000027