양자 컴퓨터 상용화 위한 대규모 큐비트 제어 주요 진전

과학자들이 양자 컴퓨터 상용화를 위한 주요 단계로 수백만 개의 스핀 큐비트(실리콘 양자 프로세서의 기본 정보 단위)를 제어할 수 있는 새로운 기술을 발견했다.

지금까지 양자 컴퓨터 엔지니어와 과학자들은 소수의 큐비트만 제어할 수 있음을 보여줌으로써 양자 프로세서의 개념 증명 모델로 작업했다. 수십 년 동안 이들은 더 많은 전기를 사용하고 열을 발생시키는 배선 공간 문제를 극복하고 몇 개에서 수백만 개의 큐비트를 제어하는 ​​방법을 찾아왔다.

13일(현지시각) 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 발표된 연구에서 호주 시드니 UNSW 연구진은 매우 복잡한 계산에 필요한 수백만 큐비트를 제어할 수 있어야 하는 양자 컴퓨터 아키텍처에서 “잃어버린 퍼즐 조각”을 발견했다.

UNSW 전기 공학 및 통신 대학 교수인 Jarryd Pla 박사는 “지금까지 전자 스핀 큐비트를 제어하는 ​​것은 큐비트 바로 옆에 있는 와이어를 통해 전류를 흘려보내 마이크로파 자기장을 전달하는 것에 의존했다”며 “양자 컴퓨터가 새로운 백신 설계와 같은 전 세계적으로 중요한 문제를 해결하는 데 필요한 수백만 큐비트까지 확장하려는 경우 이는 몇 가지 실질적인 문제를 제기한다. 먼저, 자기장은 거리에 따라 정말 빠르게 떨어지므로 와이어에 가장 가까운 큐비트만 제어할 수 있다. 즉, 점점 더 많은 큐비트 도입은 점점 더 많은 와이어를 추가해야 한다. 칩에 많은 공간을 차지한다”고 설명했다.

칩은 영하 270°C 이하의 매우 추운 온도에서 작동해야 하기 때문에 더 많은 와이어를 도입하면 칩에 너무 많은 열이 발생하여 큐비트의 신뢰성을 방해한다. 이 문제에 대한 해결책은 실리콘 칩 구조를 완전히 재구상하는 것이었다.

연구팀은 수백만 큐비트를 포함해야 하는 동일한 축소판 크기의 실리콘 칩에 수천 개의 제어 와이어를 사용하는 대신 모든 큐비트를 동시에 조작할 수 있는 칩 위에서 자기장을 생성하는 가능성을 조사했다.

모든 큐비트를 동시에 제어한다는 이 아이디어는 1990년대에 양자 컴퓨팅 과학자들에 의해 처음 제기되었지만 지금까지 아무도 이를 수행할 실용적인 방법을 찾지 못했다.

연구팀은 먼저 큐비트 옆에 있는 와이어를 제거한 다음 전체 시스템에 마이크로파 주파수 자기 제어 필드를 전달하는 새로운 방법을 고안했다. 원칙적으로 최대 400만 큐비트에 제어 필드를 전달할 수 있다.

Pla 박사와 팀은 실리콘 칩 바로 위에 유전체 공진기(dielectric resonator)라고 하는 수정 프리즘이라는 새로운 구성 요소를 도입했다. 마이크로파가 공진기로 향할 때 마이크로파의 파장을 훨씬 더 작은 크기로 집중시킨다.

Pla 박사는 “유전체 공진기는 파장을 1밀리미터 미만으로 축소하므로 이제 모든 큐비트의 스핀을 제어하는 ​​자기장으로 마이크로파 전력을 매우 효율적으로 변환할 수 있다”며 “여기에는 두 가지 핵심 혁신이 있다. 첫 번째는 큐비트를 위한 강력한 구동장을 얻기 위해 많은 전력을 투입할 필요가 없다는 것이다. 이는 결정적으로 많은 열을 생성하지 않는다는 것을 의미한다. 두 번째는 필드는 칩 전체에서 매우 균일하므로 수백만 큐비트가 모두 동일한 수준의 제어를 경험할 수 있다”고 말했다.

Pla 박사와 그의 팀은 프로토타입 공진기 기술을 개발했지만 테스트할 실리콘 큐비트가 없었다. 그래서 그는 UNSW의 엔지니어링 동료인 Scientia 교수 Andrew Dzurak과 이야기를 나누었다. 그의 팀은 지난 10년 동안 기존 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용된 동일한 실리콘 제조 기술을 사용하여 최초이자 가장 정확한 양자 논리를 시연했다.

Dzurak 교수는 “실험이 성공했음이 입증되었을 때 우리는 매우 기뻤다. 수백만 큐비트를 제어하는 ​​방법에 대한 이 문제는 본격적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데 주요 장애물이었기 때문”이라고 말했다.

향후 연구팀은 이 새로운 기술을 사용하여 단기 실리콘 양자 프로세서의 설계를 단순화할 계획이다.