과학자들이 처음으로 극저온에서 작동하는 완전히 연결된 32큐비트 이온 포획 양자 레지스터(quantum register)를 설계했다. 새로운 시스템은 실용적인 양자 컴퓨터를 개발하기 위한 중요한 단계다.

듀크 대학(Duke University) 김준기 박사후 연구원은 9월 14일부터 17일까지 ‘OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS / DLS (FiO + LS)’ 컨퍼런스와 함께 가상 이벤트로 공동 개최 될 첫 ‘OSA Quantum 2.0’ 컨퍼런스에서 새로운 하드웨어 디자인을 발표할 예정이다.

양자 컴퓨팅(quantum computing)에서 양자 레지스터는 여러 큐비트로 구성된 시스템이다. 양자 컴퓨터는 양자 레지스터 내에서 큐비트를 조작하여 계산을 수행한다.

고전 컴퓨터 비트 0 또는 1 대신 양자 컴퓨터는 계산 상태가 중첩될 수 있는 큐비트를 사용한다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에 비해 매우 복잡한 문제도 해결할 수 있다.

이온 포획(trapped-ion) 양자 컴퓨터는 양자 컴퓨팅을위한 가장 유망한 유형의 양자 기술 중 하나이지만 실제 사용을 위해 충분한 큐비트를 가진 이러한 컴퓨터를 만드는 것은 어려웠다.

연구팀은 메릴랜드 대학(University of Maryland)과 협력해 완전히 프로그래밍 가능한 이온 트랩 양자 컴퓨터의 여러 세대를 설계하고 구축했다.

김 연구원은 “이 시스템은 장기적인 안정성으로 이어지는 많은 문제가 정면으로 해결되는 가장 최근의 시스템”이라고 말했다.

이온 포획 양자 컴퓨터는 이온을 극도로 낮은 온도로 냉각시켜 초고진공 상태에서 전자기장에 포획, 정밀 레이저로 조작해 큐비트를 형성할 수 있다. 지금까지 대규모 이온 포획 시스템에서 높은 계산 성능을 달성하는 것은 이온 체인을 방해하는 배경 분자와의 충돌, 논리 게이트를 구동하는 레이저 빔의 불안정성 및 이온 트랩핑 전극의 전기장 노이즈로 인해 방해를 받았다.

새로운 작업에서 연구팀은 극적으로 새로운 접근 방식을 통합해 이러한 문제를 해결했다. 이온은 최소 진동으로 4K 온도로 냉각된 폐쇄 사이클 저온 유지 장치 내부의 국소 초고진공 인클로저에 갇혀 있다. 이러한 배열은 환경의 잔류 분자와의 충돌로 인해 발생하는 큐비트 체인의 교란을 제거하고 트랩 표면에서 발생하는 비정상적인 가열을 강력하게 억제한다.

깨끗한 레이저 빔 프로파일을 달성하고 오류를 최소화하기 위해 연구원들은 양자 회로의 빌딩 블록인 큐비트 게이트를 구동하는 라만 광학 시스템의 다양한 부분을 연결하기 위해 광결정 섬유를 사용했다. 또한 양자 컴퓨터를 작동하는 데 필요한 섬세한 레이저 시스템은 광학 테이블에서 분리돼 기기 랙에 설치되도록 설계됐다. 레이저 빔은 단일 모드 광섬유로 시스템에 전달된다.

그들은 이온 포획 양자 컴퓨터를 위한 턴키 레이저 설정을 만들기 위해 근본적으로 기계적 및 열적 불안정성을 제거하는 광학 시스템을 설계하고 구현하는 새로운 방법을 채택했다. 연구원들은 이 시스템이 이온 큐비트 체인의 온 디맨드 로딩을 자동화 할 수 있고 마이크로파장을 사용해 간단한 큐비트 조작을 수행할 수 있음을 입증했다.

팀은 최대 32 큐비트까지 확장할 수있는 방식으로 얽힘 게이트를 구현하기 위해 견고한 진전을 이루고 있다. 향후 컴퓨터 과학자 및 양자 알고리즘 연구자들과 협력해 팀은 하드웨어 별 소프트웨어를 이온 포획 양자 컴퓨팅 하드웨어와 통합할 계획이다.

완전히 연결된 이온 포획 큐비트와 하드웨어 별 소프트웨어로 구성된 완전히 통합된 시스템은 실용적인 이온 포획 양자 컴퓨터의 기반이 될 전망이다.