이온 프로세서(trapped-ion processor)에 분리된 두 큐비트 간 양자 논리연산 정보 원격이동을 확인한 연구가 나왔다.

미국 국립표준기술연구소(NIST) 물리학자들이 두 개의 분리된 이온(전기적으로 대전된 원자) 사이에서 양자 로직게이트 원격이동(Quantum logic gate teleportation)을 확인했다. 연구는 양자 컴퓨터 프로그램이 대규모 양자 네트워크에서 작업을 수행 할 수있는 방법을 제시했다.

양자 원격이동은 별도의 건물 지하실에있는 두 권의 책과 같이 양자가 완전히 분리되어 있더라도 이온과 같은 한 양자 시스템의 데이터를 다른 이온(두 번째 이온)으로 전송한다. 우주선에서부터 행성에 이르기까지 인간을 전송하는 영화 스타트랙(Star Trek) 버전과 반대로, 이 현실 세계 순간이동(teleportation)에서는 물질이 아닌 양자 정보만 전송된다.

양자 데이터의 순간이동은 이전에 이온 및 다양한 다른 양자 시스템으로 증명됐다. 이번 연구는 양자 컴퓨터 아키텍처를 선도하는 후보 물질 이온을 사용해 완전한 양자 논리연산을 순간이동시킨 최초의 연구다.

연구는 5월 31일 사이언스에 게재됐다.

NIST 물리학자 디트리히 라이브프리드(Dietrich Leibfried)는 “논리 연산이 85-87 %의 확률로 2개의 양자 비트의 모든 입력 상태에서 작동한다는 것을 확인했지만 완성과는 거리가 먼 출발점에 불과하다”고 말했다.

구현할 수만 있다면 풀스케일 양자 컴퓨터는 현재 해결하기 어려울 수있는 문제들을 해결할 수 있다. NIST는 양자 컴퓨터 구축을 포함, 실용 기술에 대한 양자 거동을 활용하기위한 글로벌 연구에 기여해왔다.

양자 컴퓨터가 원하는대로 작동하려면 대용량 기계와 네트워크에 분 된 큐비트간에 작업을 수행하는 방법뿐만 아니라 수백만 비트의 ‘큐비트(qubits)’가 필요하다. 논리 연산의 순간이동은 직접적인 양자 기계적 연결(고전적 정보 교환을위한 물리적 연결이 여전히 필요하다) 없이는 불가능하다.

NIST 팀은 실질적인 직접 상호 작용을 배제하는 거리인 340마이크로미터(백만 분의 1미터) 이상 떨어져있는 이온 트랩의 분리된 영역에 두 개의 베릴륨 이온 큐비트 간 양자 제어된-NOT (CNOT) 논리연산 또는 논리게이트를 순간 이동시켰다. CNOT 연산은 첫 번째 큐비트가 1인 경우에만 두 번째 큐비트를 0에서 1로 또는 그 반대로 플립한다. 첫 번째 큐비트가 0이면 아무 일도 발생하지 않는다. 일반적으로 양자 거동에서 두 큐비트는 동시에 “1”과 “0”의 값을 갖는 “중첩(superpositions)”상태에 있을 수 있다.

NIST 순간 이동 과정은 양자 얽힘(entanglement)에 달려 있다. 얽힘은 입자가 분리되어 있어도 입자의 양자 성질을 연결한다. 얽힘상태 마그네슘 이온 한 쌍이 “메신저”로 베릴륨 이온 사이의 정보를 전달하는 데 사용됐다.(인포 그래픽 참조).

NIST팀에따르면 텔레포트된 CNOT는 초기 단계에서 두 마그네슘 이온을 95 %의 성공률로 얽히게하는 반면 전체 논리연산은 85 %에서 87 %까지 성공했다.

라이프리드는 “게이트 순간이동으로 이전에 상호 작용하지 않았던 공간적으로 분리된 두 개의 이온 사이에서 양자 논리게이트를 수행 할 수 있었다”며 “얽혀있는 메신저 쌍은 컴퓨터의 특정 부분에서 생산 될 수 있으며 논리게이트와 연결돼 원격 위치에있는 큐비트에 개별적으로 운반될 수 있다”고 말했다.

NIST연구는 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는데 필요한 다양한 작업들을 처음으로 하나 실험으로 통합됐다. 이온 제어, 이온 전송, 얽힘 작업 등 시스템의 선별된 하위 단위을 포함해 이온 기반 필수적인 여러 가지 작업들이 통합했다.

연구진은 CNOT 게이트 수행여부를 확인하기 위해 16가지 입력상태 조합에서 첫 번째 큐비트를 준비한 다음 두 번째 큐비트에서 출력을 측정했다. 이는 실행된 프로세스를 보여주는 일반 양자 “진리표”로 만들어졌다.연구원들은 진리표를 생성하는 것 외에도 실험 실행시 오류 소스를 식별하는 데 도움이되도록 확장된 실행 시간 동안 데이터의 일관성을 검사했다. 이 기술은 향후 실험에서 양자 정보 프로세스를 특성화하는 데 중요한 도구가 될 것으로 기대된다.

이 연구는 미국 국가정보국 지능형 고등연구프로젝트와 해군연구청(Office of Naval Research) 지원으로 수행됐다.

*논문제목

“Quantum gate teleportation between separated qubits in a trapped-ion processor” Science(2019).