ETH Zurich, 99.91% 피델리티의 17,000 큐비트 어레이 시연
Source: Hacker News
양자 컴퓨터를 구축하는 데 필요한 양자 비트, 즉 큐비트는 여러 종류가 있습니다. 최근 몇 년간 많은 연구기관과 기업이 초전도 회로와 트랩된 이온에 집중해 왔습니다. 그러나 레이저 빛으로 트랩된 중성 원자도 장점이 많습니다. 전하를 띠지 않기 때문에 외란에 덜 민감합니다. 또한 레이저 빛을 이용한 트래핑은 하나의 시스템에서 수천 개의 큐비트를 구현하기 쉽게 해 주며, 초전도체나 이온을 사용할 경우 이는 훨씬 더 어렵습니다.
그럼에도 불구하고 중성 원자에도 자체적인 문제점이 있습니다. 양자 컴퓨터에서 큐비트는 논리값 0과 1의 중첩 상태에 존재합니다. 이를 이용해 계산을 수행하려면 양자 논리 연산, 즉 양자 게이트를 실행해야 합니다. 이러한 게이트를 위해서는 고도로 여기된 전자 상태(라이드버그 원자), 원자 간 충돌, 그리고 터널 효과가 주로 사용됩니다. 터널 효과는 레이저 빛의 강도에 매우 민감하게 의존하므로, 아주 작은 결함이나 변동이라도 게이트 품질을 크게 저하시킬 수 있습니다.
실험적 잡음에 매우 강인함
ETH 취리히의 연구팀이 틸만 에슬링거 교수(양자 전자공학 연구소) 주도하에, 이제 기하학적 위상만을 이용해 매우 높은 품질의 스와프 게이트(양자 교환)를 구현하는 데 성공했습니다. 이 기하학적 위상은 외부 교란이 아니라 입자들이 따라가는 경로에 따라 상태가 전환되도록 하여, 시스템을 실험적 잡음에 대해 매우 강인하게 만듭니다.
또한 연구진은 이 게이트를 수천 개의 큐비트에 동시에 적용할 수 있음을 입증했습니다. 최근 과학 저널 Nature에 발표된 이 결과는 중성 원자를 이용한 양자 컴퓨터의 향후 발전에 길을 열어줍니다.
추상적 위상을 이용한 양자 교환
스와프 게이트는 두 큐비트의 양자 상태를 교환합니다. 예를 들어, 큐비트 A가 처음에 상태 0에 있고 큐비트 B가 상태 1에 있다면, 스와프 게이트 후에 큐비트 A는 상태 1이 되고 큐비트 B는 상태 0이 됩니다. 스와프 게이트는 대형 양자 컴퓨터 내에서 양자 정보를 라우팅하는 데 중요합니다.
“몇 년 전, 연구자들은 중성 원자를 가장 낮은 에너지 상태에서 이용해 이러한 게이트를 구현했으며, 이는 터널링과 충돌에 의한 동적 위상을 활용한 것이었습니다.”라고 박사후연구원 Yann Kiefer가 말했습니다.
동적 위상은 입자가 공간을 이동하거나 서로 상호작용할 때 발생합니다. 이러한 위상은 입자의 양자역학적 파동 함수의 진동 상태를 결정하며, 이는 특정 양자 상태를 관측할 확률에 영향을 미칩니다.
반면에 기하학적 위상은 보다 추상적입니다. 예를 들어 전자 스핀의 방향이 바뀔 때 발생합니다. 스핀이 360 도 회전하면 다시 같은 방향을 가리키지만, 파동 함수의 위상은 이제 180 도 차이가 납니다.
Esslinger 팀은 광격자—빛으로 만든 인공 결정—에 극히 차가운 칼륨 원자를 가두어 스와프 게이트를 구현했습니다. 레이저 빔을 교묘히 조작함으로써, 그들의 스핀 상태가 큐비트 역할을 하는 원자 쌍을 파동 함수가 겹칠 정도로 충분히 가깝게 만들었습니다.
17,000개의 큐비트를 위한 강인한 게이트
칼륨 원자는 페르미온이기 때문에 정확히 같은 양자 상태를 차지할 수 없으며, 이로 인해 조작 과정에서 기하학적 위상이 발생했습니다. “동적 위상과 달리, 이 기하학적 위상은 원자를 조작하는 속도나 레이저 강도의 변동에 크게 의존하지 않습니다”라고 실험의 주니어 그룹 리더인 콘라드 비에반(Konrad Viebahn)이 설명합니다.
그 결과, 두 큐비트의 상태를 1밀리초 미만에 교환하면서 99,91 percent의 정밀도를 보이는 매우 강인한 스와프 게이트가 구현되었습니다. 이 게이트는 17,000개의 큐비트 쌍에 동시에 적용됩니다!
“이제 우리는 중성 원자를 이용해 많은 스와프 게이트를 만들 수 있습니다,”라고 틸만 에슬링거(Tilman Esslinger)가 말합니다, “하지만 작동하는 양자 컴퓨터를 구축하려면 아직 몇 가지 다른 요소가 필요합니다.”
다음 단계 중 하나는 스와프 게이트를 양자 가스 현미경과 결합하는 것으로, 이를 통해 개별 큐비트 쌍을 시각화하고 선택적으로 조작할 수 있어 특정 큐비트에만 스와프 게이트를 적용할 수 있게 됩니다.
연구진은 또한 원자 간 충돌을 추가함으로써 “반-스와프(half‑swap)” 게이트를 구현할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 게이트는 큐비트를 얽히게 하며, 이는 양자 알고리즘을 실행하기 위한 전제 조건입니다.