범용 양자 컴퓨터에 한발 다가선 레이저 빛을 활용하는 대규모 양자 프로세서 프로토타입이 나왔다.

이 프로세서는 10년 동안의 설계에 기초해, 빛으로 양자 구성 요소를 극한 수로 확장가능한 가능성을 내재하고 있다.

호주, 일본, 미국 과학자 팀이 참여한 관련 연구는 17일(현지시각) 사이언스에 발표됐다.

양자 컴퓨터는 어려운 문제에 대한 빠른 해결책을 약속하지만, 이를 위해서는 많은 양의 양자 구성 요소가 필요하며 상대적으로 오류가 없어야 한다. 현재의 양자 프로세서는 여전히 규모가 작고 오류가 발생하기 쉽다. 이 새로운 디자인은 빛을 이용해 고전 컴퓨터를 능가하는 데 필요한 규모에 도달할 수 있는 대안적인 해결책을 제공한다.

호주 멜버른에 있는 RMIT대 니콜라스 메니쿠치(Nicolas Menicucci) 박사는 “오늘날의 양자 프로세서는 인상적이지만, 현재의 설계를 엄청나게 큰 규모로 확장할 수 있을지는 명확하지 않다”고 말한다.

CQC2T(Centre for Quantum Computation and Communication Technology) 수석조사관을 겸한 그는 “우리의 접근방식은 클러스터 상태라고 불리는 프로세서가 빛으로 만들어지기 때문에 처음부터 내장된 극단적인 확장성으로 시작된다”고 덧붙였다.

빛, 양자 프로세서 자원으로 사용

클러스터 상태는 특정 방법으로 측정할 때 양자 계산을 수행하는 얽힌 양자 구성 요소의 대규모 모음이다.

얽힘은 측정 기반 양자 컴퓨팅의 핵심 자원이다. 그것은 클러스터 상태라고 알려진 양자 상태에 저장되는데, 이것은 오프라인으로 준비되고 순전히 국소 측정을 통해 양자 계산을 가능하게 한다. 범용 양자 컴퓨팅은 대규모의 (적어도) 2차원 위상이 있는 클러스터 상태를 요구한다.

실제 문제에 유용하려면 클러스터 상태가 충분히 크고, 올바른 얽힘(Entanglement) 구조를 가져야 한다. 지난 20년 간 모든 클러스터 상태 데모는 이 두 가지 수치에서 모두 실패했지만

둘 다 성공한 건 이번이 처음이라고 메니쿠치 박사는 말한다.

클러스터 상태를 만들기 위해 특별히 설계된 결정체들은 보통의 레이저 빛을 압축광이라고 불리는 양자광의 한 종류로 변환하고, 그 후 거울, 빔스플리트터 및 광섬유 네트워크에 의해 클러스터 상태가 만들어진다.

연구팀의 디자인은 비교적 작은 실험을 통해 확장성이 내재된 대규모 2차원 클러스터 상태를 생성할 수 있게 해준다. 비록 현재 실제적인 문제를 해결하기에는 질적인 척도, 압착(squeezing) 레벨이 너무 낮지만, 디자인은 최첨단 압착 레벨을 달성하기 위한 접근법과 호환된다.

큐비트(qubits)가 아닌 보손(bosonic) 모드를 기반으로 하는 연속-가변(Continuous-variable) 클러스터 상태는 이전에 백만 개 이상의 모드에서 생성됐지만 한 차원에서만 생성됐다.

논문에서는 대규모 2차원 연속-가변 클러스터 상태의 생성을 보고한다. 그 구조는 확장성이 높은 시간 다중화 실험 플랫폼에 맞춘 5×1240-사이트 크기 사각 격자로 구성됐다. 더 높은 압착으로 오류-저항성(fault-tolerant) 양자 연산을 가능하게 하는 보손 모드 오류 수정 코드와 호환된다.

연구팀은 이번 연구가 빛을 이용한 양자 컴퓨팅의 새로운 가능성을 열어준다고 말한다.

UNSW 캔버라의 CQC2T 수석 조사관 요네자와 히데히로 박사(Dr Hidehiro Yonezawa)는 “이번 연구에서는 어떤 시스템에서도 처음으로 보편적인 양자 연산을 가능하게 하는 대규모 클러스터 상태를 만들었다”며 “우리의 실험은 이 설계가 실현 가능하고 확장 가능하다는 것을 보여준다”고 말했다.

*Journal Reference

Warit Asavanant, Yu Shiozawa, Shota Yokoyama, Baramee Charoensombutamon, Hiroki Emura, Rafael N. Alexander, Shuntaro Takeda, Jun-Ichi Yoshikawa, Nicolas C. Menicucci, Hidehiro Yonezawa, Akira Furusawa. Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aay2645