상용화에 도전하는 양자 컴퓨터 개발의 가장 큰 과제 중 하나는 실험실 극저온 환경을 벗어나는 것이다.

과학자들은 포토닉스 회로와 광학 결정으로 구성된 퀀텀 로직 게이트에서 그 가능성을 입증했다.

양자 시스템의 중요한 단점 중 하나는 큐비트(qubits)의 취약성이다. 양자 하드웨어는 컴퓨팅 관련 큐비트 노이즈 상태를 제어하기 위해 절대0도(0 kelvins)에 가까운 극저온 환경이 필요하다.

미 육군 전투능력개발사령부의 육군 연구소(Army Research Laboratory, ARL) 커트 제이콥스 박사는“큐비트가 이 환경에서 다른 어떤 것과 상호 작용하면 양자 상태가 왜곡되기 시작한다. 예를 들어, 환경이 입자의 가스인 경우 매우 차갑게 유지하면 가스 분자가 느리게 이동해 양자 회로에 충돌하지 않는다”고 말했다.

과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 다양한 노력을 기울였지만 확실한 해결책은 아직 찾지 못했다. 현재, 비선형 광학 결정을 포함하는 광 회로(photonic circuits)는 현재 실온에서 고체 상태 시스템을 갖는 양자 컴퓨팅에 대한 유일한 실행 가능한 접근법으로 여겨진다.

이온을 사용해 데이터를 저장하는 양자 시스템과 달리 광자(photons)를 사용하는 양자 시스템은 저온 한계를 우회할 수 있다. 그러나 광자가 다른 광자와 상호 작용해 논리 연산을 수행해야 하는데 이 부분에서 비선형 광학 결정(optical crystals)이 필요하다.

과학자들은 결정 내부에 광자를 일시적으로 포획하는 공동(cavities)을 설계 할 수 있다. 그렇게 하면 양자 시스템이 큐비트가 보유할 수 있는 두 가지 가능한 상태, 즉 광자가 있는 공동(on)과 광자가 없는 공동(off)을 설정할 수 있다. 이 큐비트는 양자 논리 게이트를 형성해 양자 역학적 프레임 워크를 형성한다.

한편, 과학자들은 광자가 결정 공동에 있는지 여부를 불확정 상태로 사용해 큐빗을 나타낼 수 있다. 로직 게이트는 두 큐비트에서 함께 작동하며 이들 사이에 “양자 얽힘(quantum entanglement)”을 생성할 수 있다. 이 얽힘은 양자 컴퓨터에서 자동으로 생성되며 감지 응용 분야에 대한 양자 접근에 필요하다.

그러나 비선형 광학 결정을 사용해 양자 논리 게이트를 만들려는 아이디어는 여전히 가설 단계다. 이것이 실제 논리 게이트로 이어질 수 있는 지에 대해서는 여전히 의문의 여지가 있다.

ARL과학자들은 MIT와 협력 연구에서 기존의 광 회로 구성 요소를 사용해 이 접근 방식으로 양자 논리 게이트를 실현하는 새로운 방법을 제시했다.

제이콥은 “문제는 하나의 채널에 광자가 있는 경우 광자가 특정 모양의 ‘파동 패킷(wave-packet)’을 가지고 있다는 것이 었다. 양자 게이트의 경우, 게이트 작동 후에도 광자 웨이브 패킷이 동일하게 유지돼야 한다. 비선형성은 웨이브 패킷을 왜곡하기 때문에 웨이브 패킷을 캐비티에 로드하고 비선형성을 통해 상호 작용하게 한 다음 광자를 다시 방출해 처음과 동일한 웨이브 패킷을 가질 수 있는지 여부가 문제였다”고 말했다.

과학자들은 실험을 통해 양자 논리 게이트를 설계한 후 수많은 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과, 이론적으로 적절하게 기능할 수 있음을 확인했다. 다만 이 방법으로 양자 논리 게이트를 실제로 구성하려면 먼저 특정 광 소자의 품질을 크게 개선해야 한다.

MIT 미켈 허크(Mikkel Heuck) 박사는 “왜곡 없이 웨이브 패킷을 로드하고 방출하는 과정은 현재 실험 기술로 실현할 수 있다. 이것이 우리가 다음에 진행할 실험”이라고 밝혔다.

관련 연구는 20일(현지시각) 피지컬리뷰레터스(PHYSICAL REVIEW LETTERS)에 게재됐다.

* Mikkel Heuck, Controlled-Phase Gate Using Dynamically Coupled Cavities and Optical Nonlinearities. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.160501