실온에서 큐비트 제어를 위한 저비용 및 고성능 무선 주파수(RF) 모듈의 가능성이 성공적으로 시연됐다.
미국 Lawrence Berkeley National Laboratory(Berkeley Lab) 과학자들은 초전도 양자 프로세서를 위한 제어 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 신호를 혼합하는 일련의 소형 무선 주파수 모듈을 구축했다. 그들의 테스트는 모듈식 설계 방법을 사용하면 기존 RF 제어 시스템의 비용과 크기를 줄이는 동시에 상업적으로 이용 가능한 것과 비교할 수 있는 우수하거나 유사한 성능 수준을 제공한다는 것을 입증했다.
연구는 Review of Scientific Instruments에 주목할만한 연구로 소개되고 미국 물리학 연구소(American Institute of Physics)에서 Scilight로 선정됐다. 오픈 소스이며 다른 QIS(양자 정보 과학) 그룹에서도 채택했다. 연구팀은 RF 모듈의 컴팩트한 디자인이 다른 큐비트 기술에도 적합할 것으로 기대하고 있다.
궁극적으로 고전 컴퓨터에 비해 양자적 이점을 입증하는 데 필요할 더 많은 큐비트로 프로세서를 구축하는 데 상당한 발전이 있었음에도 불구하고 양자 컴퓨터는 계속해서 잡음이 많고 오류가 발생하기 쉽다. 각각의 추가 큐비트는 특히 실온에서 전기 오류에 대한 가능성과 복잡성의 새로운 계층을 도입한다. 이러한 복잡성과 컴퓨팅 성능의 증가는 특정 핵심 제어 요소에 대한 재고를 필요로 한다.
기존의 RF 제어 시스템은 아날로그 회로를 사용하여 초전도 큐비트를 제어하지만 부피가 커지고 복잡해질 수 있으므로 잠재적인 장애 지점 역할을 하고 하드웨어 제어 비용을 증가시킬 수 있다. Berkeley Lab의 Accelerator Technology and Applied Physics Division(ATAP) AQT 연구원 Gang Huang과 Yilun Xu는 테스트베드의 사용자 프로그램에서 이미 다른 양자 컴퓨팅 프로젝트를 향상시키고 있는 큐비트를 제어하는 새로운 방법을 시연했다. 팀은 더 작고 값비싼 기존 RF 제어 시스템을 더 작은 대화형 믹싱 모듈을 사용하는 Berkeley Lab에서 구축한 시스템으로 대체했다.
이 모듈식 시스템의 주요 측면은 실온에서 초전도 큐비트를 조작하고 측정하는 데 필요한 고해상도, 저잡음 RF 신호를 전달하는 것이다. 그렇게 하려면 전자 베이스밴드와 양자 시스템 간에 큐비트 조작 및 측정 신호 주파수를 이동하는 것이 중요하다.
Huang은 “새로운 모듈은 저잡음, 고신뢰성 작동을 나타내며 현재 AQT의 다양한 실험 구성에서 마이크로파 주파수 변조/복조를 위한 실험실 표준이 되고 있다”고 설명했다.
연구팀의 저잡음 RF 믹싱 모듈을 사용하여 전자 베이스밴드와 양자 시스템 고유 대역 사이에 제한된 중간 주파수로 대역폭을 이동함으로써 연구원들은 더 나은 성능과 더 낮은 비용으로 잡음이 적은 변환기를 활용할 수 있다.
Huang과 Xu는 시스템이 초전도 시스템용으로 설계되었지만 다른 양자 정보 과학 플랫폼으로 확장될 수 있다고 말했다. 일부 전자 부품을 적절한 주파수로 교체하면 이러한 종류의 소형 설계가 다른 큐비트 플랫폼, 즉 반도체 큐비트 시스템에 적용할 수 있어야 한다.
연구원들은 또한 신호 무결성을 줄이고 전체 성능을 제한하는 원치 않는 교란을 제거하기 위해 전자기 간섭 차폐를 설계했다. 이 차폐는 신호가 누출되어 양자 컴퓨터의 일반적인 문제인 주변 전자 장치를 방해하는 것을 방지하는 것을 목표로 한다.
오픈 소스인 제어 시스템의 출시와 함께 팀은 더 광범위한 커뮤니티가 리포지토리를 사용하고 기여해 하드웨어를 개선하기를 바란다. 소수의 전자 부품을 적절한 주파수로 교체함으로써 이러한 종류의 소형 설계는 다양한 양자 컴퓨팅 설비에 적용될 수 있다.
Huang은 “우리는 계속해서 모듈의 물리적 크기와 비용을 최적화하고 FPGA 기반 컨트롤러와 추가로 통합하여 큐비트 제어 시스템의 확장성을 개선할 것”이라고 말했다.
앞으로 연구원들은 이미 이러한 노력을 바탕으로 양자 컴퓨팅에서 새로운 가능성을 창출하고 큐비트를 제어하는 새로운 기술을 제공하고 있다.
Xu는 “이러한 통합 및 최적화는 실온 기반 제어 시스템이 양자 프로세서의 복잡성 발전에 보조를 맞추는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
이 연구는 미국 에너지부 과학실에서 자금을 지원하는 공동 연구 프로그램인 버클리 연구소의 AQT(Advanced Quantum Testbed)에서 수행됐다.
