호주 연구팀이 현재까지 양자 연산에서 가장 빠른 컴퓨팅 속도를 제시했다.

양자물리학자 미셸 시몬스(Michelle Simmons) 교수와 호주 시드니의 뉴사우스웨일즈대 (University of New South Wales, UNSW) 연구팀은 실리콘의 원자 사이 2큐비트(qubit) 게이트를 통해 0.8나노초를 달성, 기존 기록보다 200배 더 빠른 속도를 구현했다.

큐비트는 양자 비트(quantum bit)다. 이 디자인은 실리콘에서 단일 인(phosphorus)원자로 만들어졌다. 표준 컴퓨팅에서 비트는 두 가지 상태 중 하나인 1 또는 0 중 하나로 존재할 수 있다. 큐비트의 경우 1 또는 0 또는 둘 다 동시에 있을 수 있다. 이를 중첩(superposition)이라고 한다.

중첩상태로 존재할 수 있기 때문에 큐비트는 비트보다 훨씬 빠르게 문제를 해결할 수 있다. 이를 통해 기존 고전 컴퓨터보다 복잡한 문제를 훨씬 빨리 해결할 수 있다.

2큐비트 게이트는 고전 컴퓨팅에서 로직 게이트처럼 작동한다. UNSW의 팀은 두 원자 큐비트를 이전보다 훨씬 가깝게(13 나노미터) 배치해보다 빠른 작동을 달성할 수 있었다. 실시간 제어, 관찰과 스핀 상태를 측정도 가능하다.

연구팀은 스캐닝터널링현미경(STM)을 사용해 두 큐비트 사이의 최적 거리를 계산한 후 실리콘에 원자를 배치했다.

이번 연구는 호주 연구원들이 실리콘 소재로 양자 컴퓨터 개발에 도전한 이후 20년 이상 이어진 노력의 결실이다.

이 연구는 여전히 각각 72큐비트와 50큐비트 프로세서를 구축한 구글이나 IBM 수준에 이르지는 못했다. 그러나 오류를 줄이는 것은 대규모 양자컴퓨팅에 도달하는데 가장 중요하다.

미셸 시몬스 교수. credit: Dan White/UNSW.

실리콘 퀀텀 컴퓨팅(Silicon Quantum Computing Pty Ltd.) 창립자이자 CQC2T(Center of Excellence for Quant Computation and Communication Technology) 딜렉터인 시몬스 교수는 “원자 큐비트 게이트는 가장 충실도가 높은 실리콘 큐비트의 가장 긴 결맞음(coherence) 세계 기록을 보유하고 있다”며 “우리는 매우 높은 정확도로 실리콘의 원자 큐비트에서 단일 전자 스핀을 읽고 초기화하는 능력을 이미 입증했다. 또한 우리의 원자 규모 회로는 반도체 큐비트에 연결하기 위해 고안된 시스템 중 가장 낮은 전기적 잡음을 가지고 있음을 입증했다”고 말했다.

연구팀 향후 목표는 3~4년 내에 10큐비트 양자 집적회로(quantum integrated circuit )를 구현하는 것이다.

관련 논문은 17일(현지시각) 과학저널 네이처에 게재됐다.

*논문제목

A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon