컴퓨팅
조화 진동자를 활용한 양자 컴퓨팅, 현실에 한 걸음 더 가까워지다
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양자 컴퓨터 경쟁은 몇 년 동안 뜨거웠으며, 약물 발견, 재료 과학, 최적화, 머신러닝, 암호학 등은 그 발전으로 혁신될 분야 중 일부에 불과합니다.
하지만 모든 진전에도 불구하고, 실제 문제를 해결하는 양자 컴퓨터를 구축하는 데는 세 가지 큰 과제가 남아 있습니다:
- 취약한 양자 상태
- 제어를 유지하면서 규모 확대
- 코히런스 유지
이제 스웨덴 칼머스 공과대학 팀이 이러한 과제들을 해결하고 실용적인 양자 컴퓨터 개발을 가속화하는 중요한 단계를 밟았습니다. 그들은 최근 새로운 방법을 발표했습니다 Nature 저널에 초전도 회로의 조정 가능한 비선형성을 이용해 양자 정보를 조작하는 새로운 방법을 발표했습니다. 이는 다차원 양자 상태에 대한 복잡한 연산을 그 어느 때보다 빠르고 정확하게 수행할 수 있게 합니다.
실용적인 양자 컴퓨터 구축
양자 컴퓨팅의 핵심은 양자 비트, 즉 큐비트이며, 이는 양자 정보의 기본 단위입니다. 고전 비트가 0 또는 1 중 하나인 반면, 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있고 그 사이의 모든 상태를 가질 수 있습니다. 또한 큐비트는 서로 얽힐 수 있어 양자 컴퓨터가 일부 계산을 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 수행할 수 있게 합니다.
하지만 이러한 능력에 도달하는 것은 큰 도전이었습니다. 가장 큰 문제 중 하나는 양자 상태의 취약성입니다. 큐비트는 환경에 민감하며 탈코히런스를 통해 양자 특성을 빠르게 잃어버려 양자 계산에 오류를 발생시키고 계산 깊이를 제한합니다.
또 다른 주요 문제는 확장성입니다. 양자 프로세서에 큐비트가 추가될수록 그들 간의 상호작용을 제어하고 양자 게이트를 구현하는 것이 어려워집니다. 이는 제어 시스템과 큐비트 간의 교차 간섭이 복잡해지기 때문입니다.
또한 코히런스와 제어 가능성 사이에는 트레이드오프가 존재합니다. 오류 정정 코드와 같이 큐비트를 더 코히런트하게 만드는 기술은 더 많은 자원을 필요로 하며 일부 연산을 제한합니다. 트랩 이온이나 초전도 회로와 같이 개별 큐비트에 대한 제어가 높은 시스템은 노이즈가 많고 탈코히런스에 더 취약합니다.
“큐비트를 양자역학적으로 동시에 켜지고 꺼질 수 있는 파란 램프에 비유해 보세요. 반면 연속 변수 양자 시스템은 무한한 무지개와 같으며, 색상의 연속적인 그라데이션을 제공합니다. 이는 방대한 수의 상태에 접근할 수 있음을 보여주며, 큐비트의 두 상태보다 훨씬 풍부한 가능성을 제공합니다.”
– Axel Eriksson, 칼머스 공과대학 양자 기술 연구원이자 연구 논문의 주요 저자
양자 컴퓨팅의 현재 상태에 대해 알아보려면 여기를 클릭하세요.
초전도 회로에서의 조정 가능한 비선형성
칼머스 대학 팀은 Axel M. Eriksson 박사와 Simone Gasparinetti 박사가 이끌며 초전도 회로를 사용해 이러한 문제들을 해결했습니다. 그들은 Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) 공진기라는 특수 부품을 개발했습니다.
SNAIL은 강하고 조정 가능한 비선형성을 가진 초전도 회로 요소입니다. 이는 조셉슨 접합을 포함한 초전도 루프이며, 얇은 절연 장벽을 통해 쿠퍼쌍(전자 결합)들이 터널링할 수 있게 합니다. 접합을 비대칭적으로 배열함으로써 비선형 인덕턴스를 가진 회로 요소를 만들었습니다.
“우리는 다중 상태 양자 시스템에서 복잡한 연산을 그 어느 때보다 빠르게 수행하는 시스템을 만들었습니다.”
– 수석 저자 Simone Gasparinetti 박사, 칼머스 대학 202Q-랩 리더
칼머스 팀이 한 핵심은 SNAIL 공진기를 초전도 마이크로파 캐비티 내부에 배치한 것으로, 이는 양자 정보를 인코딩하는 보존 모드입니다. 그들은 이 하이브리드 시스템에 마이크로파 펄스를 적용하고 SNAIL의 비선형성을 활성화 및 비활성화하여 다양한 양자 연산을 빠르고 정확하게 수행했습니다.
연속 변수 양자 컴퓨팅
칼머스 팀 접근법의 독특한 점 중 하나는 큐비트 패러다임을 넘어 연속 변수(CV) 양자 상태를 활용한다는 것입니다.
CV 양자 시스템에서는 정보가 조화 진동자(예: 마이크로파 캐비티 필드)의 진폭 및 위상 사분면에 인코딩됩니다. 이러한 사분면은 0과 1만이 아니라 연속적인 값 범위를 가질 수 있습니다.
칼머스 대학 202Q-랩 리더이자 수석 저자 Simone Gasparinetti 박사에 따르면:
“우리는 다중 상태 양자 시스템에서 매우 복잡한 연산을 전례 없는 속도로 수행할 수 있는 시스템을 만들었습니다.”
CV 접근법은 이산 변수 양자 컴퓨팅에 비해 장점이 있습니다. (i) 첫째, 단일 CV 모드는 여러 큐비트에 해당하는 정보를 인코딩할 수 있어 오류 허용 양자 컴퓨팅에 필요한 하드웨어가 감소합니다. (ii) 둘째, CV 상태의 특성은 더 나은 오류 정정 코드를 가능하게 하며, 이는 노이즈와 탈코히런스가 있는 양자 컴퓨팅에 필요합니다.
하지만 CV 양자 컴퓨팅에서 큰 문제는 보편적인 양자 컴퓨팅에 필요한 비가우시안 연산입니다. 변위와 압축과 같은 가우시안 연산은 선형 광학 요소나 마이크로파 회로로 수행할 수 있지만, 이는 고전적으로 시뮬레이션될 수 있어 양자 속도 향상에 충분하지 않습니다.
비가우시안 연산은 비선형 상호작용을 필요로 하며, 이는 만들고 제어하기가 훨씬 어렵습니다. 이전에 CV 모드와 비선형 요소를 결합하려는 시도는 케르 효과에 의해 방해받았으며, 이는 양자 정보를 손상시키고 연산 충실도를 감소시켰습니다.
칼머스 팀은 SNAIL 공진기 내부의 비선형성을 설계함으로써 이를 해결했습니다. 그들은 SNAIL을 이른바 ‘케르-프리’ 지점에서 작동시켜 원치 않는 케르 비선형성을 억제하고, 비가우시안 연산에 필요한 3차 비선형성을 유지합니다.
“우리 커뮤니티는 종종 초전도 요소를 양자 진동기에서 멀리 두어 취약한 양자 상태가 뒤섞이는 것을 방지하려 했습니다. 이번 연구에서 우리는 이 패러다임에 도전했습니다. 진동기의 핵심에 제어 장치를 삽입함으로써 많은 양자 상태가 뒤섞이는 것을 방지하면서 동시에 이를 제어하고 조작할 수 있었습니다. 그 결과, 우리는 매우 높은 속도로 수행되는 새로운 게이트 연산 세트를 시연했습니다.”
– Simone Gasparinetti
보편적인 게이트 세트
그들이 할 수 있는 것을 보여주기 위해, 그들은 SNAIL-공진기 플랫폼에서 보편적인 게이트 세트를 만들었습니다. 여기에는 변위와 압축과 같은 가우시안 게이트와 비가우시안인 큐빅 위상 게이트가 포함됩니다.
가우시안 게이트는 SNAIL 회로에 특정 주파수의 마이크로파 펄스를 적용하여 만들었습니다. 기본 주파수에서 구동하면 변위가, 기본 주파수의 두 배에서 구동하면 압축이 발생합니다. 이는 CV 양자 정보 처리를 위한 기본 요소인 코히런트 및 압축 상태를 준비하고 조작하기 위한 것입니다.
큐빅 위상 게이트는 ‘트리스크징’ 상호작용(기본 주파수의 세 배에서 구동)과 낮은 주파수 구동을 결합하여 만들었습니다. 이는 진동기 상태에 진폭의 세제곱에 비례하는 비선형 위상 변화를 적용하며, 따라서 ‘큐빅 위상’이라는 이름이 붙었습니다.
큐빅 위상 게이트는 보편적인 CV 양자 컴퓨팅에 필요합니다. 왜냐하면 이는 오류 허용 양자 오류 정정에 사용되는 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 상태와 같은 고도로 비고전적인 상태를 만들기 때문입니다. 가우시안 게이트와 결합된 큐빅 위상 게이트는 ‘큐빅 위상 상태’라는 결정적인 비가우시안 상태를 생성합니다.
칼머스 팀이 만든 게이트는 수십 나노초에 이르는 짧은 펄스로 구현되었습니다. 이는 분산형 큐비트-진동기 결합을 사용한 이전 구현보다 10~100배 빠릅니다. 이는 SNAIL 공진기의 강한 비선형성 덕분입니다.
결정적인 큐빅 위상 상태 준비
또 다른 예로, 칼머스 팀은 보편적인 게이트 세트를 사용해 큐빅 위상 상태라는 고도로 비고전적인 양자 상태를 만들었습니다. 큐빅 위상 상태는 양자 오류 정정, 양자 측정학, 그리고 CV 기반 양자 컴퓨팅에 필요합니다.
큐빅 위상 상태 준비는 SNAIL 공진기의 기본 상태(진공)에 게이트를 적용하여 이루어졌습니다. 먼저 20ns 압축 게이트를 적용해 압축된 진공 상태를 만들었습니다. 그 다음 40ns 큐빅 위상 게이트를 해당 압축 상태에 적용했으며, 결과적으로 큐빅성 0.11인 큐빅 위상 상태가 생성되었습니다.
이 상태는 위그너 토모그래피를 사용해 특성화했으며, 이는 양자 상태의 위상 공간 분포를 제공합니다. 위그너 함수는 강하게 음의 값을 보여 비고전적이며, 어떤 고전 진동기 상태에서도 볼 수 없습니다.
큐빅 위상 상태의 목표 상태에 대한 충실도는 92%였습니다. 그들은 큐빅 위상 게이트 지속 시간을 연장함으로써 상태의 큐빅성을 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다. 이는 각 큐빅성 값마다 제어 시퀀스를 완전히 재최적화해야 했던 이전 상태 준비 방법보다 훨씬 우수합니다.
개선 여지 및 향후 작업
칼머스 팀이 이룬 성과는 이미 칭찬받을 만하지만, 아직 해야 할 일이 남아 있습니다:
SNAIL 공진기
양자 연산의 한계는 SNAIL 공진기의 코히런스 시간입니다. 현재 몇 마이크로초 수준의 코히런스 시간을 가지고 있어 현재는 충분하지만, 더 긴 코히런스 시간은 더 복잡하고 깊은 양자 회로를 가능하게 합니다. 플럭스 노이즈를 감소시키고 마이크로파 환경을 차폐 및 필터링하기 위해 SNAIL 회로 매개변수를 최적화하는 것이 코히런스를 향상시키는 방법입니다.
여기에 포함되는 내용은:
- SNAIL 공진기의 코히런스 시간(현재는 몇 마이크로초면 충분하지만, 더 길어지면 더 복잡한 회로가 가능해짐)
- 플럭스 노이즈를 줄이기 위한 SNAIL 회로 매개변수 최적화
- 마이크로파 환경의 차폐 및 필터링
양자 방출체와 적외선 레이저가 차세대 양자 컴퓨터 구축에 어떻게 도움이 되는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.
확장성
또 다른 개선 분야는 확장성입니다. 실험은 하나의 SNAIL을 사용했지만, 대규모 양자 컴퓨터는 다수의 SNAIL이 필요합니다. 확장을 위해 각각 자체 마이크로파 캐비티에 연결된 여러 SNAIL을 사용할 수 있습니다. 이 설정은 캐비티 간 결합을 설계함으로써 다중 큐비트 게이트와 얽힌 상태를 생성할 수 있게 합니다. 그러나 이를 위해서는 SNAIL의 제조 및 튜닝을 균일하고 재현 가능하도록 제어해야 합니다.
- 확장성(현재는 하나의 SNAIL이지만, 대규모 양자 컴퓨터는 다수가 필요함)
- 각각 자체 마이크로파 캐비티를 가진 SNAIL 배열
- 캐비티 간 결합을 통한 배열 전체의 다중 큐비트 게이트 및 얽힌 상태
- SNAIL의 제조 및 튜닝을 균일하고 재현 가능하도록 제어
CV 모드 수를 늘리는 것 외에도 각 모드의 광자 수를 늘려야 합니다. SNAIL 공진기의 비선형성은 높은 광자 수에서 이상적인 동작에서 벗어나며, 이는 계산 힐베르트 공간의 크기를 제한합니다.
이를 해결하는 한 방법은 다중 SNAIL 설계를 사용하는 것으로, 각 SNAIL의 비선형성을 고차에서는 상쇄하고 저차 상호작용은 유지하도록 설계합니다.
다른 가능한 발전 방향은 다음과 같습니다:
- 더 많은 CV 모드
- 각 모드당 더 많은 광자
- SNAIL 공진기의 비선형성이 높은 광자 수에서 이상적인 동작에서 벗어나게 함
- 계산 힐베르트 공간의 크기를 제한
- 다중 SNAIL 설계: 각 SNAIL의 비선형성이 고차에서는 상쇄되고 저차 상호작용은 유지됨
앞으로 칼머스 팀은 SNAIL-공진기 플랫폼을 다른 양자 컴퓨팅 아키텍처와 통합해 하이브리드 시스템을 만들고자 합니다. 예를 들어, SNAIL 매개 상호작용을 이용해 초전도 큐비트와 CV 모드를 얽혀 복잡한 다중 큐비트 상태를 만들 수 있습니다. 이번 작업의 빠르고 효율적인 CV 게이트는 인코딩된 큐비트에 대한 양자 오류 정정에 활용될 수 있으며, 이는 보다 견고하고 확장 가능한 양자 프로세서를 만들게 합니다.
앞으로 기대되는 흥미로운 전망은 SNAIL-공진기 플랫폼을 광학 양자 시스템과 통합하는 것입니다. 초전도 회로는 마이크로파 주파수와 극저온에서 작동하는 양자 컴퓨팅에 적합합니다. 반면, 실온에서 작동하는 광학 양자 시스템은 장거리 양자 통신에 이상적입니다. 양자 주파수 변환기를 개발함으로써 양쪽의 장점을 결합해 확장 가능하고 네트워크화된 양자 컴퓨터를 만들 수 있습니다.
정리
칼머스 팀이 이룬 성과는 실용적인 양자 컴퓨터에 대한 큰 진전입니다. 그들은 초전도 회로의 조정 가능한 비선형성을 활용해 다차원 양자 상태에 대한 복잡한 연산을 빠르고 정확하게 수행할 수 있는 하드웨어 효율적이며 제어 가능한 양자 컴퓨터를 개발했습니다.
이는 CV-NISQ 컴퓨팅에서 새로운 패러다임을 나타냅니다. SNAIL 공진기는 양자 화학, 최적화, 머신러닝 분야의 어려운 문제들을 해결할 수 있습니다. 이 기술이 성숙하고 확장됨에 따라 고전 컴퓨터로는 불가능한 응용 분야가 열릴 것입니다.
하지만 대규모 오류 허용 양자 컴퓨터를 구축하는 데는 여전히 상당한 과제가 남아 있습니다. 여기에는 초전도 회로의 코히런스 시간, 큐비트와 CV 모드의 수, 그리고 양자 컴퓨팅 플랫폼 간 인터페이스가 포함됩니다.
이러한 도전에도 불구하고, 응용 과학으로서의 양자 컴퓨팅은 크게 발전했으며, 칼머스 팀은 그 한계를 넓히는 데 중요한 역할을 했습니다. 그들은 양자 컴퓨팅 도구 상자에 새로운 도구를 추가하고 양자 역학을 활용하는 새로운 방식을 보여주었습니다. 이제 우리는 접근 가능한 양자 컴퓨팅에 한 걸음 더 다가섰습니다.
이론과 실험이 가속화됨에 따라 양자 컴퓨팅의 미래는 그 어느 때보다 밝아 보입니다. 양자 컴퓨터는 약물 발견, 재료 설계, 암호학, 인공지능 등 다양한 분야의 계산 작업에 지수적인 속도 향상을 제공할 것입니다. AI와 같은 기술의 발전과 결합된 이러한 진전은 세계가 완전히 상상하기 어려운 변혁적 변화의 문턱에 서 있음을 확신시켜 줍니다.
