광자 칩 활용한 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼

페니 크기의 광자 칩에서 양자 속도를 달성하는 데 필요한 장치 수를 크게 줄이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼이 개발됐다.

미국 버지니아 공대(University of Virginia School of Engineering and Applied Science, UVA) 전기 및 컴퓨터 공학 조교수 Xu Yi가 이끄는 연구팀은 다양한 범위의 빛을 감지하고 형성하는 광자 장치 물리학과 통신 및 컴퓨팅 분야에서 이같은 성과를 거뒀다.

연구팀의 실험 결과는 Nature Communications에 최근 발표됐다.

양자 컴퓨팅은 정보를 처리하는 완전히 새로운 방식을 약속한다. 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터는 긴 비트 문자열로 정보를 처리한다. 비트는 0 또는 1의 두 값 중 하나만 보유할 수 있다. 양자 컴퓨터는 정보를 병렬로 처리한다. 즉, 더 많은 정보를 계산하기 전에 하나의 정보 시퀀스가 ​​처리될 때까지 기다릴 필요가 없다. 그들의 정보 단위를 큐비트라고 하며 동시에 1과 0이 될 수 있는 하이브리드다. 양자 모드 또는 큐모드(qumode)는 소수점 오른쪽에 있는 값인 1과 0 사이의 전체 변수 스펙트럼에 걸쳐 있다.

연구원들은 양자 속도를 달성하는 데 필요한 엄청난 수의 큐모드(qumode)를 효율적으로 생성하기 위해 다양한 접근 방식을 연구하고 있다.

Yi의 포토닉스 기반 접근 방식은 빛의 영역도 전체 스펙트럼이기 때문에 매력적이다. 스펙트럼의 각 광파는 양자 단위가 될 가능성이 있다. Yi는 빛의 장을 얽힘으로써 빛이 양자 상태를 달성할 것이라는 가설을 세웠다.

각 광섬유 내에서 다양한 색상의 레이저가 병렬로 사용되며 이를 다중화라고 한다. Yi는 다중화 개념을 양자 영역으로 옮겼다.

2014년 Pfister 그룹은 벌크 광학 시스템에서 3,000개 이상의 양자 모드를 생성하는 데 성공했다. 그러나 이 많은 양자 모드를 사용하려면 알고리즘을 실행하고 다른 작업을 수행하는 데 필요한 수천 개의 거울, 렌즈 및 기타 구성 요소를 포함하기 위해 큰 공간이 필요하다.

Pfister는 “이 분야의 미래는 통합된 양자 광학이다. 양자 광학 실험을 보호된 광학 연구실에서 현장 호환 가능한 광자 칩으로 이전해야만 진정한 양자 기술이 빛을 볼 수 있다”고 말했다.

Yi의 그룹은 광자를 둘러싸고 광자를 단일 파장에서 다중 파장으로 효율적으로 변환하는 장치인 마이크로콤(microcomb)를 생성하는 링 모양의 밀리미터 크기 구조인 광학 마이크로공진기(microresonator)에서 양자 소스를 만들었다. 빛은 링 주위를 순환하여 광출력을 생성한다. 이 전력 축적은 광자가 상호 작용할 기회를 향상시켜 마이크로콤의 빛 필드 사이에 양자 얽힘을 생성한다.

다중화를 통해 Yi의 팀은 칩의 단일 마이크로공진기에서 40개의 qumode의 생성을 확인하여 양자 모드 다중화가 통합 광자 플랫폼에서 작동할 수 있음을 증명했다.

Yi의 다중화 기술은 오류가 불가피한 실제 환경에서 양자 컴퓨팅으로 가는 길을 열어준다.

오류를 보정하는 데 필요한 큐비트 수는 100만 개를 초과할 수 있으며 이에 따라 장치 수가 증가할 수 있다. 멀티플렉싱은 필요한 장치의 수를 10배 또는 3배 정도 줄인다.

Yi의 포토닉스 기반 시스템은 양자 컴퓨팅 연구에서 두 가지 추가 이점을 제공한다. 초전도 전자 회로를 사용하는 양자 컴퓨팅 플랫폼은 극저온으로 냉각해야 한다. 광자는 질량이 없기 때문에 광자 통합 칩이 있는 양자 컴퓨터는 실온에서 작동하거나 휴식 상태가 될 수 있다. 연구팀은 표준 리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 칩에 마이크로 공진기를 제작했다. 이는 공진기 또는 양자 소스를 대량 생산할 수 있음을 의미하기 때문에 중요하다.

Yi는 “양자 컴퓨팅에서 엔지니어링의 최전선을 개척하고 통합 포토닉스로의 전환을 가속화…포토닉스 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 장치와 회로를 통합하고 성능을 최적화하는 방법을 계속 탐색할 것”이라고 말했다.

*Zijiao Yang et al, A squeezed quantum microcomb on a chip, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25054-z