큐비트, 결맞음 스핀상태 전자 정보전달 시현

양자 컴퓨팅은 더 빠르고 효율적인 프로세서, 센서 및 통신 장치를 제공함으로써 기술, 의학 및 과학에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다.

그러나 양자 시스템 내에서 정보를 전송하고 오류를 수정하는 것은 효과적인 양자 컴퓨터를 만드는데 여전히 어려운 과제다.

미국 퍼듀대(Purdue University) 연구진과 로체스터대(University of Rochester) 물리학과 조교수 존 니콜(John Nichol)과 박사과정생 야다브 칸델(Yadav P. Kandel), 하이펑 키아오(Haifeng Qiao) 등 연구원들은 25일(현지시각) 네이처(Nature)에 발표한 논문에서 전자 정보 전달방법을 시연했다.

양자 컴퓨터

양자 컴퓨터는 매우 작은 규모의 원자와 아 원자 입자를 지배하는 고유 한 세트인 양자 역학의 원리로 작동한다. 이러한 스케일에서 입자를 다룰 때, 고전 물리학을 지배하는 많은 규칙이 더 이상 적용되지 않고 양자 효과가 나타난다.

양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 수행, 고전적인 컴퓨터가 할 수없는 수준에서 원자와 입자의 거동을 시뮬레이션 할 수 있다. 양자 컴퓨터는 양자 상태 물질의 거동을 시뮬레이션함으로써 물리 및 화학 원리에 대한 더 많은 통찰력을 제공 할 수 있다. 이 시뮬레이션은 새로운 에너지 원을 개발하고 행성과 은하의 상태를 연구하거나 신약 화합물을 비교하는 데 유용할 수 있다.

인체도 양자 시스템에 해당한다. 니콜은 “우리 몸의 입자들은 양자 물리에 따른다. 그러나 만약 우리 몸의 모든 원자들에서 일어나는 일을 계산하려고한다면, 일반 컴퓨터에서 할 수 없다”고 말했다.

양자 컴퓨터는 이같은 분야의 연산을 쉽게 할 수 있고, 더 빠른 데이터베이스 검색 및 암호화에도 활용이 가능하다. 니콜은 “대부분의 현대 암호화 기술은 일반 컴퓨터로는 많은 요소를 고려하기가 매우 어렵다”며 “양자 컴퓨터는 많은 요소를 쉽게 고려하고 암호화 체계를 깨뜨릴 수 있다”고 지적했다.

큐비트

일반 컴퓨터는 비트라고하는 수십억 개의 트랜지스터로 구성된다. 양자 컴퓨터는 단일 전자로부터 만들어 질 수있는 양자 비트( quantum bits, qubits)를 기반으로한다. “0”또는 “1”일 수있는 일반 트랜지스터와 달리 큐비트는 동시에 “0”과 “1”일 수 있다. 개별 큐비트가 동시에 여러 상태에있는 이러한 “중첩 상태(superposition states)”는 양자 컴퓨터 잠재력의 기반이다.

그러나 일반 컴퓨터와 마찬가지로 양자 컴퓨터는 큐비트간에 정보를 전송하는 방법이 필요하며 이는 주요 실험 과제다. 니콜은 “양자 컴퓨터에는 많은 큐비트가 있어야하는데 실제로 제작 및 운영이 어렵다”며 “현재 기술은 소수의 큐비트(수십개) 수준으로 양자 컴퓨터의 모든 잠재력을 실현하는 데는 아직 멀다”고 말했다.

일반 및 양자 컴퓨터와 스마트폰과 같은 장치를 포함한 모든 컴퓨터도 오류 수정을 수행해야한다. 일반 컴퓨터에는 비트 복사본이 포함, 비트 중 하나가 잘못되면 나머지는 대부분 과반수 투표권으로 오류를 수정한다.

니콜은 양자 비트는 복사 할 수 없기 때문에 오류를 수정하는 새로운 방법이 필요하다고 강조했다.

전자 조작

양자 오류 수정을 위해서는 개별 큐비트가 다른 많은 큐비트와 상호 작용해야 한다. 개별 전자는 위 또는 아래를 가리킬 수 있는 북극 및 남극을 가진 막대 자석과 같기 때문에 어려울 수 있다. 북극 방향은 전자의 자기 모멘트 또는 양자 상태로 알려져 있다. 특정 종류의 입자가 동일한 자기 모멘트를 가지면 동시에 같은 장소에 있을 수 없다. 즉, 동일한 양자 상태의 두 전자가 서로 위에 있을 수 없다.

니콜은 “이것은 금속으로 만들어진 페니와 같은 것이 자체로 붕괴되지 않는 주된 이유 중 하나”라며 “전자는 같은 장소에 동시에 있을 수 없기 때문에 서로 떨어져 나간다”고 말했다.

두 전자가 반대 상태에 있으면 서로 위에 있을 수 있다. 이것의 놀라운 결과는 전자가 충분히 가까워지면 그 상태가 시간이 지남에 따라 바뀌게 된다는 것이다.

니콜은 “업 전자와 다운 전자가 있고 적절한 시간 동안 함께 전자를 밀면 서로 방향이 바뀔 될 것”이라며 “그들은 장소를 바꾸지 않았지만 그들의 상태는 바뀌었다”고 말했다.

이 현상을 구현하기 위해 니콜과 그의 동료들은 반도체 칩을 매우 낮은 온도로 식혔다. 양자점(나노 스케일 반도체)을 사용해 4 개의 전자를 일렬로 가둔 다음 전자를 움직여 접촉하게 해 그들의 상태를 전환시켰다.

니콜은“이는 이웃 한 두 전자 사이에서 상태를 쉽게 전환 할 수 있는 방법이 있지만 장거리에서(전자의 경우 4 개의 전자) 수행하려면 많은 제어와 기술이 필요하다”며 “연구에 따르면 이것이 현재 장거리 정보를 전송하기 위한 실질적인 접근 방법”이라고 말했다.

첫 단계

전자의 위치를 이동시키지 않고 전자의 상태를 큐비트 배열을 가로 질러 앞뒤로 전송하는 것은 양자 정보, 양자 물리학적 놀라운 현상이다. 퍼듀대 물리 및 천문학교수 인 마이클 만프라(Michael Manfra)는 “이 실험은 양자 상태의 정보가 실제로 개별 전자 스핀을 사슬로 전달하지 않고 전달 될 수 있음을 보여준다. 정보가 양자 역학적으로 전송 될 수 있는 방법을 보여주는 중요한 단계다. 기존의 직관과는 매우 다른 방식”이라고 말했다.

*논문 : Coherent spin-state transfer via Heisenberg exchange

*Journal Reference:

Yadav P. Kandel, Haifeng Qiao, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, John M. Nichol. Coherent spin-state transfer via Heisenberg exchange. Nature, 2019; 573 (7775): 553 DOI: 10.1038/s41586-019-1566-8