양자컴퓨팅(quantum computation) 연구원들은 양자 컴퓨터에 전력을 공급하는 비트로 중성 원자 격자를 사용하고 있다. 그러나 충전되지 않은 원자는 비활성화(shy) 상태다.

물리학자들에 따르면 양자는 관측시간과 도구에 따라서 0이면서도 1인 중첩(superposition), 상호의존적인 ‘얽힘(entanglement)’ 상태다. 큐비트 하나는 중첩, 둘이면 양자 얽힘이 작동하는데 이를 의도적으로 유발해 계산도구로 활용한다.

양자 얽힘으로 이루어진 큐비트를 계속 늘리면 2의 n승으로 처리 속도가 급속도로 빨라진다. 양자 컴퓨터가 PC보다 1억배 빠른 원리다. 문제는 전자의 움직임을 제어하는 것이 쉽지 않다는 것이다. 중력,자기장,진동 등 외부의 거시적 물리역학에 영향을 받아서는 안된다.

중첩을 통한 ‘큐 비트(qubit)’생성

하버드 대학의 물리학 대학원생 헤리 레빈(Harry Levine)*은 작은 지하 실험실 컴퓨터는 성냥갑 크기의 유리 셀에있는 51 개의 루비듐 원자에 의해 구동된다. 컴퓨터를 만들기 위해 그는 51 개의 빔으로 분할된 레이저를 사용해 단일 파일로 원자를 정렬한다. 더 많은 레이저는 – 원자 당 6 개의 빔 – 거의 움직이지 않을 때까지 원자를 느리게 만든다. 그런 다음 또 다른 레이저 세트를 사용해 원자가 서로 상호 작용하도록 해 계산을 수행한다.

그가 만든 양자 컴퓨터는, 중첩 상태(superposition state)에서 0과 1을 동시에 인코딩 할 수있는 ‘큐 비트(qubit)’를 만든다. 이것이 확장되면 특정 작업에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 성능을 갖는다. 실용적인 양자 장치를 만들기위한 경쟁에서, 초전도 와이어(wire)의 작은 회로와 양자 점으로 알려진 소형 반도체 구조와 같은 실리콘 기반 큐비트(qubit)에 많은 투자가 이뤄지고있다.

최근의 두 연구는 레빈이 작업해온 큐비트(qubit)의 새로운 가능성을 제시했다. 한 연구에서, 레빈을 포함하는 한 그룹은 2개의 중성 원자로 구성된 양자 논리 게이트가 이전보다 훨씬 적은 오류로도 작동 할 수 있음을 보여주었다. 또 다른 연구는 조심스럽게 배열된 원자의 3D 구조를 구축, 3 차원에서 더 많은 큐비트가 작은 공간에 압축될 수 있음을 보였다.

벤처 캐피털 자금 유입과 함께 중성 원자(neutral atoms) 연구는 한층 상승세를 타고 있다. 콜로라도 볼더 대학에서 원자 기반 양자 컴퓨터를 개발중인 콜드퀀타(ColdQuanta) CEO 다나 엔더슨(Dana Anderson)은 “우리는 숙제를 끝냈다. 이것은 현재 엔지니어링 분야에 해당한다”고 말한다.

중성 원자(neutral atoms) 양자 컴퓨팅

Neutral Atom Quantum Computing. <출처=Anderson Optical Physics (AOPy) group>

엔더슨 그룹 ‘광(optical) 물리학’ 양자 컴퓨팅 연구소는 세계 최초의 중성 원자 양자 컴퓨터 개발에 관한 8 개 기관과 협력하고 있다. 리차드 파인만(Richard Feynman)이 수십 년 전에 제안한 양자 컴퓨터는 이론적으로 현대 컴퓨터보다 기하 급수적 수를 지수 적으로 고려할 수 있기 때문에 현대 컴퓨터의 후계자로 간주된다. 지금까지 다른 모든 양자 컴퓨터는 원자 또는 이온을 이용했다. 그의 프로젝트를 특별하게 만드는 것은 서로 가깝게 감금되어 유지 될 수있는 중성 원자를 사용한다는 것이다. 이것은 상호 작용이 강하기 때문에 이온 기반 양자 컴퓨터에서는 발생하지 않는다.

앤더슨 그룹은 세슘 (Cs) 원자의 2 차원 배열을 만드는 과정에 있다. 배열의 각 Cs 원자의 이론적 최대 수명은 100 초다. 이 수명은 충분히 길어서 원자 손실을 지속적으로 모니터링하고 필요에 따라 배열의 개별 사이트에서 모든 원자를 다시 로드할 수 있다. 프로젝트는 수백 Cs 원자의 광 자기 트랩(MOT)에서 하나의 Cs 원자를 가져 와서 빈 배열 사이트로 옮기는 것을 목표로 한다. 따라서, Cs 원자의 일정한 사이클은 항상 배열이 Rydberg Cs 원자의 전체 공급을 갖도록 한다. 양자 알고리즘에 필요한 큐비트 역할을하는 것은 이 Cs 배열이다.

원자 중 하나만 뤼드베르(Rydberg) 상태에있을 수 있기 때문에 원자 하나의 상태는 다른 하나의 상태에 얽혀 있다.

중성자는 전하가 부족하고 다른 원자들과 상호작용을 꺼리기 때문에, 그들은 열등한 큐비트를 만드는 것처럼 보일 것이다. 그러나 특별히 조사된 레이저 파동을 사용함으로써 물리학자들은 원자의 가장 바깥 쪽의 전자를 들뜨게해 핵으로부터 멀리 이동시켜 원자를 보통 크기의 수십억 배로 부풀릴 수 있다. 일단 뤼그베르(Rydberg) 상태에 있게되면, 원자는 이온과 같이 더 많이 행동하고 인접한 원자와 전자 기적으로 상호 작용해 Rydberg 원자가되는 것을 방지한다.

물리학자는 이러한 행동을 이용해 ‘얽힘’, 즉 계산을 수행하는 데 필요한 상호 의존성의 양자 상태를 만들 수 있다. 두 개의 인접한 원자가 중첩돼 두 부분이 부분적으로 뤼드베르(Rydberg)상태에 있고 부분적으로 바닥 상태에 있는 경우, 측정은 원자를 한 가지 또는 다른 상태로 붕괴시킨다. 그러나 원자 중 하나만 뤼드베르(Rydberg) 상태에 있을 수 있기 때문에 원자 하나의 상태는 다른 하나의 상태에 의존하게된다.

일단 ‘얽힘’상태가 된 중성 원자는 몇 가지 고유 한 이점을 갖는다. 얽힘 상태 원자는 관리가 쉽다. 그것들은 실리콘 기반 큐비트보다 훨씬 작다. 즉, 이론적으로 더 많은 큐 비트가 작은 공간에 압축 될 수 있음을 의미한다. 시스템은 실온에서 작동하지만, 초전도 큐비트는 부피가 큰 냉동실 안에 배치해야한다. 중성자는 쉽게 상호 작용하지 않기 때문에 외부 잡음에 면역이되어 상대적으로 오랜 시간 동안 양자 정보를 유지할 수 있다. 매디슨의 위스콘신대학(University of Wisconsin) 물리학자 마크 사프먼(Mark Saffman)은 “중성 원자는 큰 가능성을 가지고있다. 물리학 관점에서 볼 때, 더 쉬운 확장 성과 궁극적으로 더 우수한 성능을 제공 할 수 있다”고 말한다.

두 가지 새로운 연구는 이러한 주장을 뒷받침한다. 하버드대학 물리학자 미하일 루킨(Mikhail Lukin)이 이끄는 Levine과 그의 동료들은 97 %의 시간 동안 두 개의 루비듐 원자 논리 게이트를 정확히 프로그래밍 할 수 있다고 이달 20 일 ‘Physical Review Letters’에 발표했다. . 그것은 방법을 99 % 이상의 충실도를 이미 달성하는 초전도 큐비트의 성능에 가깝게 만든다. 두 번째 연구는 이달 5 일 ‘Nature’에 발표됐다. 파리 인근 ‘Charles Fabry Laboratory’의 안토니 브로웨이(Antoine Broways)와 그의 동료가 72 개 원자의 3D 배열에 대한 전례없는 수준의 제어를 입증했다. 그들의 통제를 과시하기 위해, 그들은 원자를 에펠 탑의 형태로 배열했다. 또 다른 인기있는 큐빗 유형인 이온은 비교적 작다. 그러나 그들은 이 처럼 밀도높게 서로 쌓일 수 없다.

모두가 확신을 갖는 것은 아니다. 캐나다 토론토의 광자 큐비트를 이용한 양자장치 제작 회사 ‘Xanadu’ 물리학자 바른 베이댜(Varun Vaidya)는 다른 큐 비트와 비교해 볼 때 중성원자는 머물지 않는 성질을 갖는다고 말한다. 그는 “가장 큰 문제는 원자를 붙잡는 것”이라고 말한다. 원자가 제자리를 찾지 못하면 Lukin의 자동화 레이저 시스템으로 원자를 1초 이내에 재구성 할 수 있지만 그는 장치가 더 이상 작업을 수행하지 못하게 될 수 있다는 것이다.

캐나다 워털루대학의 물리학자 크리스탈 젠코(Crystal Senko)는 “지금은 아무도 어느것이 최고의 큐비트가 될지를 알지 못한다.결론은 그들이 모두 문제가 있다는 것”이라고 지적한다.

그럼에도 불구하고 ColdQuanta는 최근 벤처 자금 675만 달러를 받았다. 캘리포니아 버클리에 본사를 둔 ‘AtomComputing’은 500만 달러를 모으고있다. CEO 벤 블룸(Ben Bloom)은 루비듐 대신 칼슘과 스트론튬과 같은 원자가로 구성된 큐 비트를 추구 할 것이라고 밝혔다. 블룸은 은이 원자들이 더 오래가는 큐 비트를 허용 할 것이라고 믿는다. 루킨은 자신의 그룹 기술을 상업화하는데도 관심이 있다고 말한다.

사프만(Saffman) 그룹 뿐만 아니라 스타트업도 완전히 프로그램 가능한 양자 컴퓨터를 개발하는 것을 목표로하고있다. 현재 루킨은 큐빗을 특정 방식으로 준비하고 자연스럽게 진화시킴으로써 특정 최적화 문제를 해결하는 데 전문화 된보다 제한된 종류의 컴퓨터인 양자 시뮬레이터를 개발하는 데 집중하기를 원한다. Levine은 자신의 그룹의 장치가 예를 들어 정보 통신 기술자가 비용을 최소화하고 서비스 범위를 극대화하기 위해 라디오 타워를 어디에 둘 것인지 파악하는 데 도움이 될 수 있다고 말한다.

* 하버드에서 원자 물리학(Atomic Physics), 양자 정보(Quantum Information), 뤼드베르 원자(Rydberg Atoms)를 연구하는 Harry Levine은 2016년 ‘Atom-by-atom assembly of defect-free one-dimensional cold atom arrays’를 시작으로 2017년 ‘Quantum many-body dynamics of strongly interacting atom arrays’, 2018년 ‘High-fidelity control and entanglement of Rydberg atom qubits’, ‘Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator’ 등 논문을 발표했다.

*연관기사 : 양자 컴퓨터 개발 경쟁…엑사스케일 컴퓨팅도 가시화

*참고 : 사이언스, 콜로라도대학 엔더슨그룹,구글 스칼라