인공 원자와 광 집적회로를 기반으로 최대 규모 확장 가능한 양자 프로세서가 개발됐다.

MIT 연구원들은 미세한 다이아몬드 조각에서 원자 규모 결함(defects)으로 생성된 인공 원자(artificial atoms)를 통해 광 회로(photonic circuitry) 기반 128큐비트 양자 칩(quantum chip)을 생산했다.

MIT 전기공학 및 컴퓨터과학과 부교수 더크 잉글룬드(Dirk Englund)는 “확장 가능한 양자 프로세서 분야에서 획기적인 연구”라고 말했다.

연구진에 따르면 범용 양자 컴퓨터를 구축하기 위해서는 수백만 개의 양자 프로세서가 필요하다. 새로운 연구 결과는 프로세서 생산을 확장할 수있는 실용적인 방법을 제시한다. 조절 가능한 인공 원자를 상-안정(phase-stable) 광 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC)에 조립할 수 있는 능력은 다중 양자 리피터 및 범용 양자 프로세서 완성의 핵심 단계다.

0과 1로 표시되는 비트를 사용하여 정보를 처리하고 저장하는 기존 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 양자 비트 또는 큐비트(qubit)로 작동한다. 이 비트는 동시에 0, 1 또는 둘 다를 나타낼 수 있다. 이러한 특성으로 인해 양자 컴퓨터는 여러 계산을 동시에 수행하여 고전적인 컴퓨터에서는 다루기 어려운 문제를 해결할 수 있다.

새로운 칩의 큐비트는 다이아몬드의 결함으로 만들어진 인공 원자로, 가시광선과 마이크로파로 양자 정보를 전달하는 광자를 방출할 수 있다.

연구팀이 8일(현지시각) 네이처(Nature)에 발표한 논문에서 설명한 이 프로세스는 여러 다이아몬드 기반 큐비트를 포함하는 엄선 된 양자 마이크로 칩렛(quantum micro chiplets)이 질화 알루미늄 PIC에 배치되는 하이브리드 방식이다.

잉글룬드는 “지난 20 년간의 양자 공학에서 이러한 인공 큐비트 시스템을 집적 회로와 비슷한 양으로 제조하는 것이 궁극적 비전이었다. 이 활발한 연구 분야에서 주목할만한 진전이 있었음에도 불구하고, 제조 및 재료 합병증은 지금까지 광자 시스템 당 2~3개 이미터(emitter) 산출했다”고 말했다.

연구팀은 하이브리드 방법을 사용하여 최대 통합 인공원자-광자 칩인 128 큐비트 시스템을 구축할 수 있었다.

칩렛의 인공 원자는 다이아몬드의 컬러 센터(color centers), 인접한 탄소 원자가 누 된 다이아몬드의 탄소 격자 결함으로 구성되며, 공간은 다른 요소로 채워지거나 비어 있다.

MIT 연구팀이 사용한 대체 요소는 게르마늄과 실리콘이다. 각 중심은 스핀 상태가 큐비트를 형성할 수 있는 원자와 같은 이미터로 기능한다. 인공 원자는 큐비트로 표시되는 양자 정보를 운반하는 색을 가진 광 입자 또는 광자를 방출한다. 연구원들은 다이아몬드로 대규모 양자 칩을 만들려고하는 대신 모듈 식과 하이브리드 방식을 택했다.

반도체 제조 기술을 사용해 이 작은 칩렛을 만들어서 고품질 큐비트 모듈 만 선택한다. 그런 다음 칩렛을 다른 칩에 하나씩 통합해 칩렛을 더 큰 장치에 ‘연결’한다. 전자 집적 회로와 유사하지만 전자 보다는 광자를 사용해 정보를 전달하는 광자 집적 회로에 해당한다.

연구에 따르면 광학(Photonics)은 손실이 적은 회로의 모듈 간에 광자를 라우팅하고 전환하기위한 기본 아키텍처를 제공한다. 회로 플랫폼은 실리콘이 아니라 질화 알루미늄이다. 질화 알루미늄은 극저온에서 작동하는 광 스위치를 지원, 컬러 센터를 제어하기 위해 작동한다.

광전자 회로와 다이아몬드 칩렛의 이 하이브리드 방식을 사용해 연구원들은 하나의 플랫폼에서 128큐비트를 연결할 수 있었다. 큐비트는 안정적이고 수명이 길며 방출은 스펙트럼 내에서 분별할 수 없는 광자를 생성하기 위해 회로 내에서 조정될 수 있다.

*Large-scale integration of artificial atoms in hybrid photonic circuits