화학 기반 양자 컴퓨터 구축 시도

양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계이지만 일부 연구 그룹은 기존의 슈퍼컴퓨터에서 수천 년이 걸리는 계산을 수행한다고 이미 보고했다. 장기적으로 양자 컴퓨터는 오늘날의 능력을 넘어서는 파괴할 수 없는 암호화와 자연 시뮬레이션을 제공할 수 있다.

하버드 대학(Harvard University)을 포함, UCLA가 주도하는 학제 간 연구 팀은 이제 이러한 컴퓨터를 구축하기 위한 근본적으로 새로운 전략을 개발했다. 현재의 회로, 반도체 및 기타 전기 공학 접근과 달리 팀은 더 큰 분자 구조의 특성을 제어하는 ​​원자 빌딩 블록을 맞춤 설계하는 계획을 제시했다.

지난 주 Nature Chemistry 저널에 발표된 이 발견은 궁극적으로 양자 처리 능력의 도약으로 이어질 수 있다.

UCLA 물리학 교수이자 교신저자 Eric Hudson은 “이 아이디어는 양자 컴퓨터를 만드는 대신 화학이 우리를 위해 그것을 만들도록 하는 것”이라고 말했다.

전통적인 컴퓨팅에서 정보의 기본 단위는 비트이며, 각각은 두 값 중 하나로 제한된다. 양자 비트(또는 Qubits) 그룹은 훨씬 더 넓은 범위의 값을 가질 수 있으므로 컴퓨터의 처리 능력이 기하급수적으로 증가한다. 10큐비트를 표현하려면 1,000개 이상의 일반 비트가 필요하고, 20큐비트에는 100만 비트 이상이 필요하다.

양자 컴퓨팅의 변형 가능성의 핵심에 있는 이 특성은 원자가 상호 작용할 때 적용되는 반직관적인 규칙에 따라 달라진다. 예를 들어, 두 입자가 상호 작용할 때 연결 또는 얽힘(entanglement)이 상태에서 한 입자의 특성을 측정하면 다른 입자의 특성이 결정된다. 얽힌 큐비트는 양자 컴퓨팅의 요구 사항이다.

그러나 이 얽힘은 약하다. 큐비트가 환경에서 미묘한 변화를 만나면 양자 알고리즘을 구현하는 데 필요한 “양자성(quantumness)”을 잃는다. 이것은 가장 강력한 양자 컴퓨터를 100큐비트 미만으로 제한하고 이러한 큐비트를 양자 상태로 유지하려면 큰 기계 장치가 필요하다.

양자 컴퓨팅을 실제로 적용하려면 엔지니어가 해당 처리 능력을 확장해야 한다. Hudson과 그의 동료들은 이론이 팀이 양자 행동을 보호하는 분자를 맞춤 제작하도록 안내한 연구에서 첫 번째 단계를 밟았다고 믿다.

과학자들은 칼슘과 산소 원자를 포함하고 큐비트 역할을 하는 작은 분자를 개발했다. 이러한 칼슘-산소 구조는 화학자들이 작용기라고 부르는 것을 형성한다. 즉, 거의 모든 다른 분자에 연결될 수 있는 동시에 해당 분자에 고유한 특성을 부여할 수 있다.

연구팀은 그들의 작용기가 훨씬 더 큰 분자에 부착되어도 원하는 구조를 유지한다는 것을 보여주었다. 그들의 큐비트는 또한 양자 컴퓨팅의 핵심 요구 사항인 레이저 냉각을 견딜 수 있다.

Hudson은 “양자 작용기를 표면이나 긴 분자에 결합할 수 있다면 더 많은 큐비트를 제어할 수 있을 것”이라고 말했다.

차세대 컴퓨팅에 대한 잠재력 외에도, 양자 기능 그룹은 과학자들이 인체의 다양한 분자 및 화학 물질의 구조와 기능에 대해 더 많이 밝힐 수 있도록 도움으로써 화학 및 생명 과학적 발견에 도움이 될 수 있다.

공동 저자인 UCLA 화학 및 생화학 조교수 Justin Caram은 “Qubits는 측정을 위한 매우 민감한 도구가 될 수도 있다. 생물학 시스템과 같은 복잡한 환경에서 생존할 수 있도록 그들을 보호할 수 있다면 우리는 우리 세계에 대한 많은 새로운 정보로 무장할 것”이라고 설명했다.

Hudson은 화학적 기반 양자 컴퓨터 개발이 현실적으로 수십 년이 걸릴 수 있으며 성공할 수 있을지 확신할 수 없다고 밝혔다. 향후 단계에는 큐비트를 더 큰 분자에 고정하고, 테더링된 큐비트를 유도하여 원치 않는 신호 없이 프로세서로 상호 작용하고, 시스템으로 작동하도록 얽히게 하는 작업이 포함된다.