미래 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에서 수행 할 수없는 계산을 수행 할 수 있다. 여기에는 현재 전자거래 보안에 사용되는 암호화를 해독 할 수있는 기능과 솔루션 수가 기하 급수적으로 증가하는 다루기 힘든 문제를 효율적으로 해결하는 방법이 포함될 수 있다.

이스라엘의 기초과학연구 및 교육기관 바이츠만 과학연구소(Weizmann Institute of Science) 버락 다얀(Barak Dayan) 교수의 양자 광학 연구실 연구는 이러한 양자 컴퓨터 내부 및 양자 컴퓨터 간 통신에 필요한 ‘양자 게이트’를 제공, 큐비트 확장성을 통한 양자 컴퓨터 개발을 한 걸음 앞당기고 있다.

0 또는 1 두 가지 상태 중 하나에서만 존재할 수있는 전자 비트와 달리 큐비트(qubit)라고 알려진 양자 비트는 동시에 0과 1에 모두 해당하는 상태 일 수 있다. 이를 양자 중첩이라 부른다.

양자 중첩 상태는 외부 세계에 의해 관찰되거나 측정되지 않는 한 존재할 수있다고 한다. 그렇지 않으면 모든 가능한 상태가 단일 상태로 축소된다. 이것은 모순되는 요구 사항을 야기한다. 큐비트가 여러 상태에 동시에 존재하려면 잘 격리돼야 하지만 동시에 많은 다른 큐비트와 상호 작용하고 의사소통 해야한다. 그렇기 때문에 전 세계 여러 연구소와 회사에서 수십개 큐비트의 소규모 양자 컴퓨터를 이미 시연해 왔지만 원하는 크기로 수백만 큐비트까지 확장, 스케일 업하는 것이 과학 기술의 주요 장애물로 남아 있다.

하나의 유망한 해결책은 작고 다루기 쉬운 큐비트의 격리된 모듈을 사용하는 것이다. 광학 링크로 이들 사이에서 통신이 가능하다. 물질 큐비트 (단일 원자 또는 이온)에 저장된 정보는 광자(photon)라고하는 빛의 단일 입자인 비행 큐비트(flying qubit)로 전송된다.이 광자는 광섬유를 통해 먼 큐비트으로 전송될 수 있다. 이같은 시스템을 만드는데 있어서의 도전은 단일 광자가 극소량의 에너지를 전달한다는 것이다. 큐비트를 포함하는 극소의 시스템은 일반적으로 약한 빛과 강하게 상호 작용하지 않는다.

영국 과학기술 뉴스 포털사이트 phys.org는 네이처 피직스(Nature Physics)에 실린 Dayan과 그의 팀이 처음으로 광자와 원자가 자동으로 정보를 교환하는 논리 게이트를 만드는 데 성공한 것를 인용했다.

Weizmann Institute of Science의 Dayan의 양자 광학 연구소는 전 세계적으로 이 과학적 도전에 전념하는 몇 안되는 그룹 중 하나다. 그들의 실험 장치에는 칩 위에 독특한 미크론 스케일의 실리카 공진기와 결합된 단일 원자가 있다. 광자는 특수 광섬유를 통해 직접 전송된다. 이전 실험에서 Dayan과 연구진은 단일 광자 활성화 스위치로 섬광에서 단일 광자를 도출(pluck)할 수 있는 방법을 제시했다.

Dayan은 “광자는 하나의 큐비트를 운반하며, 그 원자는 두 번째 큐비트”라며 “광자와 원자가 만날 때마다 그들은 자동적으로 동시에 양자 사이의 큐 비트를 교환하고 광자는 정보의 새로운 비트로 계속 나아간다. 정보를 복사하거나 지울 수없는 양자 역학에서 정보 교환, 전송은 실제로 읽기 및 쓰기의 기본 단위로 양자 통신의 기본(native)게이트”라고 설명한다.

이러한 유형의 로직게이트(SWAP 게이트)는 양자 컴퓨터 내부와 양자 컴퓨터 사이에서 큐비트를 교환하는 데 사용할 수 있다. 이 게이트는 외부 제어 필드나 관리 시스템이 필요 없기 때문에 양자 등가물(quantum equivalent) VSI(Very-Scale Integration) 네트워크를 구성 할 수 있다.

Dayan은 “우리가 시연한 SWAP 게이트는 원자뿐만 아니라 모든 종류의 물질 기반 큐비트 간의 광통신에 적용 가능하다”며 “우리는 그것이 차세대 양자 컴퓨팅 시스템에서 필수적인 구성 요소가 될 것이라고 믿는다”고 말했다.