50은 고전 슈퍼 컴퓨터로는 해결할 수없는 문제를 해결할 수있는 양자컴퓨터의 중요한 임계값이다.

양자 우위(quantum supremacy)을 증명하기 위해서는 적어도 50 큐비트(qubits)가 필요하다. 빛으로 작동하는 양자 컴퓨터의 경우, 적어도 50개의 완벽하게 작동하는 광자(photons)가 필요하다.

네델란드 트벤테 대학(University of Twente) 과학자들이 기존 광원 내부에서 결정 구조의 수정을 제안, 완벽한 50개 광자의 달성 가능성을 제시했다.

연구는 6월 17일(현지시각) ‘피지컬 리뷰A(Physical Review A)’에 실렸다.

양자는 얽힘, 중첩 및 간섭에 대한 요구로 양자 컴퓨팅 세계에서 유망하다. 이는 큐비트 속성이기도합니다. 1과 0을 나타내는 표준 비트로 계산하는 것과는 완전히 다른 방식으로 작동하는 컴퓨터를 구축할 수 있다.

여러 해 동안 연구원들은 복잡한 분자에서 모든 진동을 즉시 계산하는 것과 같이 매우 복잡한 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 예측했다. 양자 우위의 첫 번째 증거는 이미 초전도 큐비트와 매우 복잡한 이론적 문제로 달성됐다. 약 50개의 양자 빌딩 블록, 광자 또는 큐비트는 최소한 필요 자원이다.

광자를 사용하면 큐비트보다 장점이 있을 수 있다. 실온에서 작동할 수 있고 더 안정적이다. 한 가지 중요한 조건이 있다. 50개의 임계 수치에 도달하는 광자가 완벽해야한다.

새로운 논문에서 트벤테 대학 과학자들은 ‘완벽한 광자’가 가능하다는 것을 보여주었다.

일반적으로 광원은 손실될 수 있으며, 이 경우 기대한 광자가 나타나지 않는다. 양자 계산을 위해 일련의 광전도 채널을 통해 이동하는 광자(따라서 컴퓨팅 결과)를 잃을 수도 있다. 불완전성의 주요 원인은 광원이 동일해도 각각 약간 다른 광자들를 생성하기 때문이다.

광원에서 나오는 광자 쌍을 상상해보자. 그 중 하나는 빨간색이고 다른 하나는 좀 더 주황색에 가깝다. 그들은 공통점이 많지만 충분하지 않다. 필터를 사용해 둘 다 빨간색으로 만드는 것은 가능하지만 광자 일부를 손실, 결함이 생긴 상태에서 양자 계산이 불가능해진다. 일부 불완전성을 처리할 수있는 시스템에서도 임계값 50에 도달하지 못한다.

크리스탈 도메인

연구원들은 개선의 여지가 있는지 판단하기 위해 광원의 결정 구조를 개선하고자 했다. 결정에서 바람직한 배향을 가지고 이를 도메인으로 분할, 원하는 특성을 갖는 광을 생성하는 것이 가능함을 보였다. 몇 년 동안 연구자들은 고정 영역을 연구해왔다. 광 특성을 더 잘 조정하려면 도메인을 다양하게 변경해야한다.

전 세계 많은 실험실에서 연구원들은이 빛을 조작하는 방법을 연구하고 있다. 이 새로운 연구는 완벽한 광자 실현에 근접, 결정을 최적화하는 새로운 방법을 제시한다.

* R. van der Meer et al. Optimizing spontaneous parametric down-conversion sources for boson sampling, Physical Review A (2020). DOI: 10.1103/PhysRevA.101.063821