양자 컴퓨팅 퍼즐 새로운 연결고리

과학자들이 광학 양자 컴퓨팅(optical quantum computing)의 잃어버린 고리를 발견했다.

미국 세인트루이스에있는 워싱턴 대학(Washington University) 전기 및 시스템 공학과 Shen Jung-Tsung 부교수는 새로운 형태의 빛을 활용하는 결정론적 고 충실도 2 비트 양자 논리 게이트를 개발했다. 이 새로운 로직 게이트는 현재 기술보다 훨씬 더 효율적이다.

그는 “이상적인 경우, 충실도는 97 %까지 올라갈 수 있다”고 말했다.

연구는 지난달 Physical Review A 저널에 게재됐다.

양자 컴퓨터의 잠재력은 중첩(superposition), 즉 양자 시스템이 동시에 많은 고유한 속성 또는 상태를 포함하는 능력과 얽힘(entanglement)에 있다.

전압이 고전 컴퓨터에서 비트 (1 또는 0)의 값을 결정하는 경우 연구자들은 종종 개별 전자를 양자 등가물인 “큐 비트”로 사용한다. 전자는 작업에 잘 맞는 몇 가지 특성을 가지고 있다. 전자는 전기장이나 자기장에 의해 쉽게 조작되고 서로 상호 작용한다. 상호 작용은 양자 역학적 얽힘에 유용하다.

그러나 상호 작용하는 성향도 문제다. 표유 자기장에서 전력선에 이르기까지 모든 것이 전자에 영향을 미칠 수 있으므로 전자를 진정으로 제어하기 어렵다.

그러나 지난 20년 동안 일부 과학자들은 광자를 전자 대신 큐비트로 사용하려고 노력해 왔다. Shen은 “컴퓨터가 진정한 영향을 미치려면 빛을 사용하여 플랫폼을 만드는 방법을 조사해야한다”라고 말했다.

광자는 전하가 없으므로 반대 문제를 일으킬 수 있다. 전자처럼 환경과 상호 작용하지 않지만 광자 상호 간에도 작용하지도 않는다. 또한 효과적으로 광자 간 상호 작용을 엔지니어링하고 생성하는 것도 어려웠다.

10년 전 이 문제를 연구 한 과학자들은 논리 게이트에 들어갈 때 얽 히지 않더라도 두 광자가 나올 때 측정하는 행위로 인해 마치 마치 있었던 것처럼 행동한다는 사실을 발견했다. 측정의 고유한 특징은 양자 역학의 또 다른 표현이다.

측정 발견은 획기적이었지만 게임을 완전히 바꾸지는 않았다. 1,000,000 개의 광자마다 한 쌍만 얽혀 있기 때문이다. 그 이후 성과에도 초당 수백만에서 수십억 번의 작업을 수행해야하는 컴퓨터로서는 충분하지 않았다.

Shen은 새로운 종류의 양자 광자 상태 (공간과 주파수 모두에 얽힌 광자)를 발견했기 때문에 이러한 효율성으로 2 비트 양자 논리 게이트를 구축할 수 있었다. 그의 존재에 대한 그의 예측은 2013년에 실험적으로 검증되었으며 그 이후로 그는 이 새로운 형태의 빛에 대한 응용 프로그램을 찾고 있다.

연구에 따르면 단일 광자가 논리 게이트에 들어오면 눈에 띄는 일이 발생하지 않고 들어오고 나간다. 연구팀은 이를 통해 새로운 상태인 광 이합체를 만들 수 있다고 예측했다. 이 새로운 상태가 중요하다는 것이 밝혀졌다.

수학적으로 2 비트 연산을 위한 논리 게이트를 설계하는 방법에는 여러 가지가 있다. 이러한 다른 디자인을 등가라고 한다. Shen과 그의 연구 그룹이 설계한 특정 논리 게이트는 제어 위상 게이트(또는 제어 Z 게이트)다. 제어 위상 게이트의 주요 기능은 나오는 두 개의 광자가 들어간 두 개의 광자의 음의 상태에 있다는 것이다.

Shen은 “고전적인 회로에서는 마이너스 기호가 없다”며 “그러나 양자 컴퓨팅에서는 마이너스 기호가 존재하고 중요하다는 것이 밝혀졌다”고 말했다.

두 개의 독립적 광자(2개의 광학 큐비트를 나타냄)가 논리 게이트에 들어갈 때를 예로들어 그는 “논리 게이트의 설계는 두 광자가 광자 이량체를 형성할 수 있도록 설계됐다. 새로운 양자 광자 상태는 출력 상태가 광학 논리 연산에 필수적인 올바른 부호를 가질 수 있도록해 매우 중요하다”고 말했다.

Shen은 미시간 대학과 협력해 적당한 조건에서 작동할 수 있는 솔리드 스테이트 로직 게이트 설계를 테스트했다.

그는 “그것은 퍼즐 같다. 하는 것은 복잡 할 수 있지만, 한 번 훑어보는 것만으로도 옳다는 것을 알게 될 것”이라고 덧붙였다.