하드웨어 디자인 및 작동 주파수를 기반으로 큐비트(qubits)를 연결해 대규모 양자 컴퓨터 및 네트워크를 구축할 수 있는 방법이 개발됐다.

NIST(National Institute of Standards and Technology) 물리학자들은 전기적으로 하전된 원자-분자 ‘양자 얽힘(Quantum entanglement)’을 활용한 하이브리드 양자 정보 시스템을 구축하는 방법을 제시했다.

하이브리드 플랫폼 양자 시스템은 전자 프로세서, 광 디스크 및 자기 하드 드라이브 간에 데이터 교환이 가능한 기존 컴퓨터 시스템과 같은 다목적성을 제공할 수 있다.

양자 수준에서 분자의 기본 특성에 대한 제어를 강화, 다양한 형태의 데이터를 조작, 저장 및 전송할 수 있는 시스템이다. NIST 논문은 20일 네이처(Nature)에 소개됐다.

NIST 물리학자 추진원(James, Chin-wen Chou) 박사는 하이브리드 양자 정보 시스템을 구축하는 실험에서 레이저를 활용해 원자와 분자를 제어했다. 실험을 통해 하나의 입자 측정이 다른 입자의 특성을 제어할 수 있도록 원자 이온의 전자 특성을 분자와 얽힘 상태로 만들었다.

이 연구는 분자의 양자 제어에 대한 동일 그룹의 2017년 실험을 바탕으로 했다. 여러 원자가 함께 결합된 분자가 제공하는 더 복잡하고 잠재적으로 유익한 영역으로 원자를 조작하는 데 사용해온 기술을 확장했다.

분자는 원자와 같은 다양한 내부 에너지 수준을 갖지만, 다양한 속도와 각도로 회전하고 진동한다. 분자는 초당 수천에서 수조 사이클에 이르는 광범위한 큐비트 주파수에 걸쳐 양자 정보를 변환해 양자 시스템에서 매개체로 작용할 수 있다. 진동으로 분자는 훨씬 높은 큐비트 주파수를 제공할 수 있다.

추 박사는 “원자 이온과 분자 이온이 얽혀 있음을 증명했으며 분자 내에서 큐비트 주파수의 광범위한 선택을 보여 주었다”고 말했다.

큐비트는 원자의 저에너지 및 고에너지 레벨과 같은 두 가지 양자 상태로 디지털 데이터 비트 0과 1을 나타낸다. 큐비트는 한 번에 두 가지 ‘중첩(superposition)’ 상태로 존재할 수 있다.

NIST 연구진은 수소 원자에 결합 된 칼슘 이온인 칼슘 수소화물 분자 이온의 서로 다른 두 쌍의 회전 상태와 칼슘 원자 이온의 두 가지 에너지 레벨을 얽히게 했다. 분자 큐비트는 전이 주파수(두 회전 상태 사이의 사이클링 속도)가 13.4 킬로 헤르츠(kHz, 초당 수천 사이클)에서 낮은 에너지 또는 초당 8550억 사이클 (기가 헤르츠 또는 GHz)에서 높은 에너지를 가졌다.

추 박사는 “분자는 다양한 전이 주파수를 제공하며 다양한 유형의 분자 중에서 선택할 수 있으므로 양자 정보 과학에 도입할 수 있는 광범위한 큐비트 주파수”라며 “자연에서 발견 된 변환을 이용해 결과가 모두에게 동일할 것”이라고 말했다.

실험은 이온의 양자 상태를 냉각, 얽힘, 측정하기 위해 다양한 강도와 방향 및 펄스 시퀀스의 청색 및 적외선 레이저 빔을 사용했다.

먼저 NIST 연구자들은 두 이온을 가장 낮은 에너지 상태로 가두어 냉각시켰다. 얽힘 쌍은 물리적 근접성과 양전하로 인해 서로 반발했으며, 반발은 움직임을 잠그는 스프링처럼 작용했다. 레이저 펄스는 분자의 회전에 에너지를 부여하고 저 에너지 및 고 에너지 회전 상태의 중첩을 만들어 두 이온이 동시에 반대 방향으로 요동하고 흔들리기 시작했다.

분자 회전은 그것의 움직임과 얽혀있었다. 더 많은 레이저 펄스가 두 이온 간 공유된 운동을 이용해 원자 이온을 저 에너지 및 고 에너지 레벨의 중첩으로 유도했다. 이러한 방식으로, 얽힘이 운동으로부터 원자를 둘렀다.

연구원들은 레이저를 비추고 그것의 밝기와 빛의 산란을 측정해 원자 이온의 상태를 결정했다. NIST 연구진은 분자의 회전 특성의 두 세트로 이 기술을 시연해 낮은 에너지 쌍 (큐비트)으로 87%, 높은 에너지 쌍으로 76%의 얽힘을 성공적으로 달성했다.

저에너지의 경우 분자는 상단과 같이 두 개의 약간 다른 각도로 회전하지만 두 상태에서 동시에 회전한다. 고 에너지의 경우, 분자는 속도의 큰 차이로 분리돼 동시에 두 속도로 회전하고 있었다.

새로운 연구는 2017년 실험의 퀀텀 로직(quantum logic)을 기반으로 했다. 연구원들은 100개 이상의 가능한 회전 상태 중 두 가지 사이에서 스위칭을 구동하기 위해 적외선 레이저 광 펄스를 적용했다.

*Lin, Y., Leibrandt, D.R., Leibfried, D. et al. Quantum entanglement between an atom and a molecule. Nature 581, 273–277 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2257-1