물리학자들이 더 따뜻한 조건에서 작동하는 실리콘 기반 양자 칩을 개발했다.

새로운 실리콘 양자칩(quantum chips)은 양자 컴퓨터 제작 비용과 크기를 줄이고 기존 고전 컴퓨터 기술 통합에도 용이하다.

4월 15일(현지시각) 네이처(Nature) 저널에 발표된 두 논문에따르면 네덜란드 및 호주 연구팀이 개발한 양자 프로세서는 초전도 전자를 큐비트로 사용, 현재 초전도 양자 컴퓨터보다 높은 1.1K 및 1.5K(kelvin) 에서 각각 작동할 수 있다.

기존 초전도체에서 요구하는 약 10밀리켈빈(0.01도에서 절대0도)보다 쉽게 달성할 수 있는 상대적 고온에서 큐비트의 견고성은 별도의 구성 요소에 포획되지 않고도 서로 가까이 위치할 수 있다.

양자 물리학을 활용하는 양자 장치는 특정 유형의 계산에서 표준 컴퓨터를 능가할 수 있지만 절대 영도에 가까운 극저온에서만 작동한다.

현재의 양자 컴퓨터는 약 50 개의 양자 비트를 차지하지만 과학자들은 양자 컴퓨터가 일부 작업을 수행하기 위해 수백만 개의 큐비트(qubits)가 필요할 것으로 예상한다. 과학자들은 그것들을 확장시키기 위해 노력하고 있다.냉각 과정을 단순화하면 컴퓨터 확장에 도움이 될 수 있다.

극저온 양자 컴퓨터에는 추가적인 문제가 있다. 큐비트를 제어하는 데 필요한 전자 부품은 추운 환경에서 작동하기 어려워 배선으로 양자 칩에 연결해야 한다. 큐비트 확장은 배선을 더 복잡하게 만든다.

새로운 양자 컴퓨터를 사용하면 기존 컴퓨터 집적 회로와 유사하게 큐비트와 전자 장치를 함께 연결할 수 있다. 호주 뉴사우스웨일즈대(University of New South Wales)와 네덜란드 델프트(Delft) 큐테크(QuTech) 공동 연구팀이 만든 따뜻한 양자 컴퓨터 칩은 실리콘으로 만들어졌다. 이 재료는 표준 컴퓨터 칩에 사용, 제조가 용이하며 양자 컴퓨터 확장 속도를 높일 수 있다.

독립 스핀 큐비트 프로세서 유닛 셀. credit: nature.

한편, 네덜란드 델프트 공대(Delft University of Technology)의 메노 벨드호스트(Menno Veldhorst) 박사와 동료들은 네이처에 또 다른 독립 연구를 발표했다. 실용성과 경제성을 확보한다면 양자 컴퓨터는 정보 과학의 도약을 견인할 수 있다.

고전 컴퓨팅 비트는 1 또는 0을 나타내는 반면 큐비트는 1과 0을 겹쳐서 두 상태를 동시에 나타내 컴퓨팅 성능을 기하 급수적으로 향상시킨다. NASA는 1,097 큐비트의 양자 컴퓨터에서 기존 슈퍼 컴퓨터보다 3,600배 이상, 개인용 컴퓨터보다 1억배 높은 성능을 기대한다.

양자 컴퓨팅은 현재 실험적으로 비즈니스 환경에 적용하고 있다. 과학 연구에서는 단백질 접힘과 같은 물리 화학적 계산에서 큰 차이를 만들 수 있다. 아미노산 서열로부터 단백질의 구조를 예측하는 방법의 문제는 광범위한 생물학적 과정에서 단백질이 어떻게 기능하고 더 나은 의약품을 설계하는 데 도움이 될 수 있는지 이해하는 데 중요하다.

*Yang, C.H., Leon, R.C.C., Hwang, J.C.C. et al. Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin. Nature580, 350–354 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6

*Petit, L., Eenink, H.G.J., Russ, M. et al. Universal quantum logic in hot silicon qubits. Nature580, 355–359 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2170-7