하이브리드 원자 양자 컴퓨터 새로운 가능성

양자 컴퓨터의 빌딩 블록인 큐비트(qubits)은 다양한 기술로 만들 수 있다. 큐비트를 만드는 한 가지 방법은 2018년에 노벨상을 수상한 기술인 집속 레이저를 사용하여 단일 중성 원자를 제자리에 가두는 것이다.

그러나 중성 원자(neutral atom) 큐비트로 양자 컴퓨터를 만들려면 많은 개별 원자가 많은 레이저 빔에 의해 제자리에 갇혀 있어야 한다. 지금까지 이러한 어레이는 두 개의 요소로 어레이를 만드는 것이 엄청나게 복잡할 것이라는 우려에서 단일 요소의 원자로만 구성됐다.

미국 시카고 대학(University of Chicago) 연구원들은 처음으로 두 가지 다른 원소에서 중성 원자의 하이브리드 배열을 만들어 양자 기술에서 시스템의 잠재적 응용을 크게 넓혔다.

연구는 Physical Review X에 2일(현지시각) 게재됐다.

초전도 회로와 같은 인공 큐비트는 완벽하게 일관성을 유지하기 위해 품질 관리가 필요하지만 단일 요소로 만들어진 중성 원자는 모두 똑같은 특성을 가지므로 큐비트의 이상적이고 일관된 후보가 된다.

그러나 배열의 모든 원자는 동일한 속성을 가지고 있기 때문에 이웃을 방해하지 않고 단일 원자를 측정하는 것은 극히 어렵다. 말하자면 모두 같은 주파수에 있다.

시카고 대학 프로젝트 수석 연구원 Hannes Bernien은 “지난 몇 년 동안 원자 배열 플랫폼이 양자 시뮬레이션과 양자 계산에 매우 적합하다는 것을 보여주는 몇 가지 이정표 실험이 있었다. 그러나 이러한 시스템에 대한 측정은 모든 원자가 동일한 공명을 가지기 때문에 파괴적인 경향이 있다. 이 새로운 하이브리드 접근법은 이 경우에 정말 유용할 수 있다”고 말했다.

두 가지 다른 원소의 원자로 구성된 하이브리드 배열에서 원자의 가장 가까운 이웃은 완전히 다른 주파수를 가진 다른 원소의 원자가 될 수 있다. 이것은 연구원들이 주변 원자의 간섭 없이 단일 원자를 측정하고 조작하는 것을 훨씬 쉽게 만든다.

또한 연구자들은 원자 배열의 표준 복잡성을 피할 수 있다. 원자를 한 장소에 오랫동안 유지하는 것은 매우 어렵다.

Bernien은 “단일 원자로 이러한 실험을 하면 어느 시점에서 원자를 잃게 된다. 그런 다음 항상 새롭고 차가운 원자 구름을 만들고 개별 원자가 다시 레이저에 갇힐 때까지 기다려야 시스템을 다시 초기화해야 한다. 그러나 이 하이브리드 설계 덕분에 이러한 종을 별도로 실험할 수 있다. 우리는 한 원소의 원자로 실험을 하는 동안 다른 원자를 새로 고치고 항상 큐비트를 사용할 수 있도록 전환할 수 있다”고 설명했다.

Bernien 그룹이 만든 하이브리드 어레이에는 512개의 레이저가 포함되어 있다. 256개에는 세슘 원자가, 256개에는 루비듐 원자가 있다. 양자 컴퓨터 개발 과정에서 이것은 큐비트 자원이 될 수 있다. 양자 컴퓨터가 갇힌 원자가 아닌 초전도 회로로 구성된 Google과 IBM은 약 130큐비트에 불과하다. Bernien의 장치는 아직 양자 컴퓨터가 아니지만 원자 배열로 만든 양자 컴퓨터는 확장이 훨씬 쉬워 몇 가지 중요한 새로운 통찰력을 얻을 수 있다.

Bernien은 “실제로 환경에서 매우 잘 격리할 수 있는 매우 일관된 시스템을 확장할 때 어떤 일이 발생하는지 알지 못한다. 이 갇힌 원자 접근 방식은 미지의 영역에서 대규모 시스템 양자 효과를 탐구하는 훌륭한 도구가 될 수 있다”고 말했다.

이 어레이의 하이브리드 특성은 단일 원자 종으로는 가능하지 않은 많은 응용 분야에 활용 가능하다. 두 종을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 한 요소의 원자는 양자 메모리로 사용하고 다른 요소는 양자 계산에 사용할 수 있으며 일반적인 컴퓨터에서 RAM과 CPU의 역할을 각각 맡는다.