과학자들이 경제성과 활용성이 높은 실리콘 칩 기반 양자 컴퓨터 구축 시도에 중요한 성과를 거뒀다.

프린스턴 대학(Princeton University) 연구팀은 실리콘 칩 기반 양자 컴퓨팅 구성 요소인 “스핀” 큐비트 두 개가 비교적 멀리 떨어진 거리에서 상호 작용할 수 있음을 제시했다.

연구 책임자 제이슨 페타(Jason Petta)는 프린스턴대 유진 히긴스(Eugene Higgins) 물리학 교수다. 페타는 “이 거리에서 실리콘 칩으로 메시지를 전송하는 능력은 양자 하드웨어를 위한 새로운 성과”라며 “최종 목표는 훨씬 더 복잡한 계산을 수행 할 수 있는 2 차원 그리드로 다중 양자 비트를 배열하는 것이다. 이 연구는 한 칩에서 다른 칩으로 큐비트의 통신을 개선하는 데 장기적으로 도움이 될 것”이라고 말했다.

양자 컴퓨터는 물리, 생물, 화학 등 분야에서 고전 컴퓨터 기능을 넘어서는 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 양자 비트 또는 큐비트(qubit)는 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 처리 할 수 있다. 고전 컴퓨터 비트는 0 또는 1의 값을 가질 수 있지만 양자 비트는 0과 1 사이의 값 범위를 동시에 나타낼 수 있기 때문이다.

실용적인 양자 컴퓨팅을 실현하려면 서로 통신할 수 있는 수만 개의 큐비트가 필요하다. 기존 프로토 타입 양자 컴퓨터에는 초전도 회로와 관련된 기술로 만든 수십 개의 큐비트가 포함됐다. 일부 기술자들은 실리콘 기반 큐비트를 장기적으로 더 유망한 것으로 간주한다.

실리콘 스핀 큐비트는 초전도 큐비트에 비해 몇 가지 장점이 있다. 실리콘 스핀 큐비트는 경쟁 큐비트 기술보다 양자 상태를 더 오래 유지한다. 일상적인 컴퓨터에 실리콘을 널리 사용한다는 것은 실리콘 기반 큐비트를 저렴한 비용으로 제조 할 수 있음을 의미한다.

도전은 실리콘 스핀 큐비트가 단일 전자로 만들어지고 매우 작다는 사실이다. 인텔 실리콘 큐비트 제작팀 양자 하드웨어 책임자 제임스 클라크 (James Clarke)는 “여러 큐비트 간의 배선 또는 ‘인터커넥트’는 대규모 양자 컴퓨터에 대한 가장 큰 과제”라며 제이슨 페타 팀은 스핀 큐비트가 장거리에서 결합될 수 있음을 입증하기 위해 많은 노력을 기울였다”고 말했다.

이를 달성하기 위해 프린스턴 팀은 인터넷 신호를 가정으로 전달하는 광섬유 와이어와 유사한 방식으로 빛을 전달하는 “와이어”를 통해 큐비트를 연결했다. 그러나 이 경우 와이어는 실제로 하나의 큐비트에서 메시지를 가져와 다음 큐비트로 전송하는 단일 광자(photon)를 포함한 좁은 공동(cavity)다. 두 큐비트은 약 0.5센티미터, 쌀알 길이 정도 떨어져 있었다. 즉, 각 큐비트가 집 크기라면 한 큐비트는 750 마일 떨어진 다른 큐비트에게 메시지를 보낼 수 있다.

중요한 진전은 두 큐비트와 광자가 동일한 주파수에서 진동하도록 세 가지를 모두 조정해 동일한 언어를 말할 수 있는 방법을 찾는 것이었다. 이 팀은 두 큐비트를 서로 독립적으로 튜닝하면서도 여전히 광자에 결합했다. 이전에는 이 장치 아키텍처에서 한 번에 하나의 큐비트 만 광자에 커플링 할 수있었다.

대학원생으로 논문 제1저자인 펠릭스 보얀스(Felix Borjans)는 “칩 양쪽에 있는 큐비트 에너지와 광자 에너지의 균형을 맞추어 세 요소가 서로 대화하도록 해야한다. 이것은 정말 어려운 부분이었다”고 말했다.

각 큐비트는 이중 양자점(double quantum dot)이라고하는 작은 챔버에 갇힌 단일 전자로 구성된다. 전자는 스핀(spin)으로 알려진 특성을 가지고 있는데, 북쪽이나 남쪽을 가리키는 나침반 바늘과 유사한 방식으로 위 또는 아래를 가리킬 수 있다. 연구자들은 전자레인지를 전자장으로 재핑해 스핀을 위 또는 아래로 뒤집어 큐비트에 1 또는 0의 양자 상태를 할당했다.

HRL 연구소 수석 과학자로 이 프로젝트의 공동 연구자 세데우스 라드(Thaddeus Ladd)는“실리콘 큐비트의 중요한 가능성 증명으로, 큐빗을 배선하는 방법과 미래 실리콘 기반의 ‘양자 마이크로 칩’에 기하학적으로 배치하는 방법에 상당한 유연성을 추가하기 때문에 실리콘 큐비트에 대한 중요한 가능성 증명”이라고 말했다.

한편 앞서 연구팀은 2018년 네이처(Nature) 논문에서 실리콘 스핀 큐비트가 광자와 정보를 교환 할 수 있음을 제시했다.

이번 연구는 25일(현지시각) 네이처에 게재됐다.

*refrrence

Resonant microwave-mediated interactions between distant electron spins, Nature (2019).

DOI:10.1038/s41586-019-1867-y