큐비트 이해 – 텔레포테이션 및 제어된 상호작용 돌파구

양자 컴퓨팅 분야에서는 많은 일들이 진행되고 있습니다. 칩 거인 Nvidia (NVDA ) 는 양자 컴퓨팅 연구를 가속화하기 위해 오픈소스 CUDA-Q 플랫폼을 출시했으며, 중국은 최대 규모의 양자 컴퓨팅 칩을 만들었습니다. 그리고 맨체스터 대학교의 과학자들은 차세대 컴퓨터를 위한 초순수 실리콘을 개발했습니다.

양자 컴퓨터에 대한 이러한 흥분과 개발은 타당합니다. 이 기술은 암호학, 신약 개발, 복잡한 최적화 문제 해결, 머신러닝 알고리즘 향상 등 다양한 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있기 때문입니다.

양자 컴퓨터는 원자 및 그보다 더 작은 아원자 수준에서 물질과 에너지의 행동과 본질을 다루는 양자 이론을 활용함으로써 이러한 모든 것을 달성할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 광자와 전자와 같은 아원자 입자를 이용합니다. 큐비트(양자 비트)는 이러한 입자들이 동시에 여러 상태에 존재하도록 하며, 제어 장치를 통해 조작됩니다.

전통적인 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 속도를 처리하면서 에너지 소비를 줄이기 위해, 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘을 사용합니다.

중첩은 두 개 이상의 양자 상태를 결합하여 또 다른 유효한 양자 상태를 만드는 것을 의미합니다. 큐비트의 중첩은 양자 컴퓨터가 수백만 개의 연산을 동시에 처리할 수 있게 합니다.

얽힘은 두 시스템이 연결되어 하나의 상태를 알면 즉시 다른 시스템의 상태를 알 수 있게 되는 현상입니다. 이는 양자 컴퓨터가 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있게 합니다.

여기서 문제는 탈코히런스이며, 이는 방사선, 진동, 온도 변화와 같은 요인으로 인해 큐비트의 양자 상태가 손실되는 현상입니다. 이는 계산 오류를 일으킵니다. 큐비트를 간섭으로부터 보호하기 위해 진공 챔버, 절연 및 초저온 냉각기 안에 배치합니다.

보시다시피 큐비트는 양자 컴퓨팅을 구현하는 데 중요한 역할을 하지만, 아직 알려지지 않은 부분도 많습니다. 그러나 최근 두 개의 독립적인 실험이 큐비트에 대한 우리의 이해를 확장했으며, 이는 실용적인 양자 컴퓨터 구축을 향한 중요한 단계입니다.

양자 텔레포테이션 달성

새로운 연구는 일반적으로 양자 상태 전송을 방해하는 모든 잡음에도 불구하고 양자 텔레포테이션을 성공적으로 달성했습니다. 텔레포테이션에서는 입자 자체를 보내지 않고 큐비트를 한 위치에서 다른 위치로 전송합니다.

이론적으로는 양자 상태의 전송이 문제 없이 이루어질 수 있지만, 실제 세계에서는 방해와 잡음이 양자 텔레포테이션의 품질을 저하시킵니다. 따라서 최신 연구의 연구원들은 잡음에도 불구하고 완벽한 양자 텔레포테이션을 달성한 것이 큰 업적이라고 밝혔습니다.

Science Advances 저널에 발표된 이 연구는 얽힘과 탈코히런스가 많은 양자 프로토콜 및 기술의 상반된 힘으로 작용한다는 점을 논의합니다.

연구에 따르면, 임의로 긴 거리까지 확장되는 상관관계에서 발생하는 양자 얽힘은 양자 역학의 기초에 매우 중요합니다. 이는 정보 처리와 통신에 많은 응용이 있습니다. 그러나 양자 시스템과 환경 사이의 상호작용은 피할 수 없으며, 탈코히런스는 이러한 응용의 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다.

최근 탈코히런스 자유 서브스페이스, 동적 디커플링, 양자 오류 정정 코드, 지연된 코히런트 양자 피드백, 보조 서브시스템을 이용한 레지버 엔지니어링 등을 활용한 많은 유망한 탈코히런스 억제 프로토콜이 존재하지만, 실제로 탈코히런스를 완전히 피하는 것은 매우 까다롭습니다.

따라서 이 연구는 절대 탈코히런스 환경에서 양자 텔레포테이션을 위한 효율적인 프로토콜을 제안했습니다.

중국 과학기술대학(허페이)과 핀란드 투르쿠 대학 연구원들이 수행한 이 연구는 개방 양자 시스템 맥락에서 보조 큐비트와 그들의 지역 환경 사이의 다중 파트 하이브리드 얽힘을 사용하여 높은 정확도를 달성했습니다.

연구원들에 따르면, 선형 광학은 다양한 양자 정보 프로토콜을 수행하고 탈코히런스 문제를 연구하는 데 특히 견고한 플랫폼입니다.

투르쿠 대학의 Jyrki Piilo 교수에 따르면, 이 연구는 분산 얽힘 개념을 활용합니다. 이 얽힘 분배는 사용된 큐비트를 넘어 프로토콜을 실행하기 전에 이루어집니다. 이는 “다른 물리적 자유도 사이의 하이브리드 얽힘을 활용한다”는 의미입니다.

전통적으로 텔레포테이션에서 큐비트를 얽히게 하기 위해 광자 편광이 사용되었습니다. 그러나 새로운 접근법은 광자 편광과 주파수 사이의 하이브리드 얽힘을 활용합니다.

이는 잡음이 프로토콜에 미치는 영향을 크게 바꿉니다. 실제로 이 발견은 “잡음의 역할을 해로움에서 텔레포테이션에 유리하게 전환한다”고 Piilo는 말했습니다.

전통적으로 텔레포테이션 프로토콜은 큐비트 얽힘 중에 잡음이 있을 뿐만 아니라 처음에 하이브리드 얽힘이 잡음 없이 존재할 때도 작동하지 않습니다. 반대로 하이브리드 얽힘을 만든 뒤 잡음을 추가하면 텔레포테이션과 양자 상태 전송이 거의 완벽하게 이루어집니다.

이러한 방식으로 최신 발견은 광자를 사용할 때 발생하는 잡음에도 불구하고 거의 이상적인 텔레포테이션을 가능하게 합니다.

“우리 실험실에서 광자를 이용한 양자 물리학의 다양한 측면에 대해 수많은 실험을 수행했지만, 이 매우 도전적인 텔레포테이션 실험이 성공적으로 완료된 것을 보는 것은 매우 흥미롭고 보람 있었습니다.”

연구는 탈코히런스와 싸우는 것 외에도 하이브리드 얽힘이 또 다른 보안 층을 제공하는 데 도움이 되었다고 언급했습니다. 연구는 다음과 같이 말했습니다.

“텔레포트된 정보가 얼마나 깊이 숨겨질 수 있는지를 조사하는 것은 흥미로운 미래 연구 주제가 될 것입니다.”

이는 시작에 불과하며, 이 연구는 기본적인 중요성을 가지고 양자 프로토콜의 미래 작업을 위한 새로운 경로를 열어줍니다. 이 기술을 적용할 수 있는 한 방법은 양자 텔레포테이션 외부 및 탈코히런스 자유 서브스페이스를 넘어선 상태 전송에 활용하는 것입니다.

이 연구는 또한 탈코히런스를 다른 물리적 플랫폼, 다양한 잡음 원천을 포함하여 역전시킬 수 있는지 여부를 확인할 가능성을 열어줍니다.

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전통적인 실리콘 트랜지스터에서 두 큐비트 게이트 구현

스위스에서 가장 오래된 대학인 바젤 대학교 연구원들이 국립 연구 역량 센터(NCCR) SPIN과 협력하여 수행한 또 다른 연구는 전통적인 실리콘 트랜지스터에서 두 개의 홀 스핀 큐비트 간의 제어 가능한 상호작용을 달성함으로써 돌파구를 마련했습니다.

Nature에 발표된 이 연구는 바젤 대학교의 오픈 액세스 자금을 받아 진행되었으며, 반도체 스핀 큐비트가 산업용 트랜지스터 기술을 활용해 대규모 양자 컴퓨터를 생산할 잠재력을 제공한다는 점을 강조했습니다.

양자 컴퓨터가 계산을 수행하려면 큐비트를 조작하고 서로 결합시키는 연산인 “양자 게이트”가 필요합니다. 최신 연구의 연구원들은 두 큐비트를 결합할 뿐만 아니라, 하나의 스핀이 다른 스핀 상태에 따라 제어된 플립을 일으키는 데 성공했습니다. 이 결합은 두 스핀 큐비트 간의 교환 상호작용에 의존합니다.

“홀 스핀을 이용하면 빠르고 높은 충실도의 두 큐비트 게이트를 만들 수 있습니다. 이 원리는 이제 더 많은 큐비트 쌍을 결합하는 것도 가능하게 합니다.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

연구원들은 몇 년 전 기존 전자 장치의 홀 스핀이 큐비트로 포획되어 사용할 수 있음을 이미 보여주었습니다. 이제 Kuhlmann은 바젤 물리학자 팀을 이끌어 두 큐비트 간의 제어 가능한 상호작용을 구현하는 데 성공했습니다.

문제의 큐비트는 전기적으로 제어 가능하고 전하와 잡음을 상쇄하는 스위트 스팟을 가지고 있어 이점이 있지만, 두 큐비트 상호작용을 시연하는 것은 어려웠습니다.

연구에 따르면, 빠른 스핀-오비트 상호작용 중 교환 결합에 대한 이해가 부족한 것이 문제였습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 실리콘 “FinFET” 또는 핀 전계 효과 트랜지스터에서 두 개의 홀 스핀 큐비트를 연구했습니다. 스핀-오비트 결합은 홀의 스핀 상태가 공간을 통한 움직임에 의해 영향을 받는 것을 의미합니다.

따라서 반도체 양자점(QD) 스핀 큐비트는 대규모 양자 회로의 미래 구현에 가장 적합한 것으로 보입니다. 그러나 현재 가장 진보된 스핀 기반 양자 프로세서는 실리콘(Si)에서 6개의 전자 스핀 큐비트에 대한 범용 제어만을 허용합니다. 이는 게르마늄의 홀을 이용한 4큐비트 시연이 그 뒤를 잇고 있습니다.

연구에서는 전자 또는 홀의 스핀을 이용하는 큐비트를 사용했습니다. 전자와 홀 모두 스핀을 가지고 있으며, 위(up) 또는 아래(down) 상태를 취합니다.

홀 스핀은 전자 스핀에 비해 궤도 축퇴나 온칩 마이크로마그넷과 같은 추가 부품 없이 완전히 전기적으로 제어할 수 있습니다. 이는 홀의 고유한 스핀-오비트 상호작용(SOI) 때문입니다. 또한 홀은 감소된 초미세 상호작용과 밸리의 부재라는 이점을 가집니다.

따라서 이 연구는 교환을 전기적으로 제어하고 24 ns 안에 조건부 스핀 플립을 수행할 수 있음을 보여줍니다. 교환 해밀토니안은 더 이상 하이젠베르크 형태가 아니며, 속도와 정확성을 동시에 유지하거나 그 반대로 희생하지 않고 두 큐비트 제어 회전 게이트를 구현하도록 설계될 수 있습니다. 연구에 따르면:

“이 이상적인 동작은 다양한 자기장 방향에 걸쳐 적용되어, 큐비트 간 변동에 대해 견고함을 보이며, 대규모 양자 컴퓨터 구현에 적합한 접근법임을 나타냅니다.”

이 연구는 하나의 칩에 수백만 개의 홀 스핀 큐비트를 배치할 가능성을 제시합니다. 또한 이 접근법은 대규모 양자 컴퓨터 개발에 큰 가능성을 보여줍니다.

장치 제조 공정의 향상을 통해 변동성을 줄여야 합니다. 견고한 제어 회전(CROT) 스위트 스팟과 결합될 때, 이러한 발전은 “비등방성 교환을 이용한 두 큐비트 게이트 연산을 대규모 큐비트 배열에 매우 매력적으로 만들 것”이라고 말했습니다.

연구가 빠른 읽기와 1 K 이상의 작동을 결합한다면, FinFET을 클래식 제어 전자 장치에 사용되는 칩 위에 배치된 범용 양자 프로세서로 활용할 수 있습니다.

양자 컴퓨터 개발에 참여하는 기업들

이제 양자 컴퓨터에 적극적으로 참여하고 있는 기업들을 살펴보겠습니다:

#1. IBM

IBM은 오랫동안 양자 컴퓨팅 연구를 선도해 왔으며, 최초의 회로 기반 상용 양자 컴퓨터인 IBM Q System One을 개발했습니다. 이 회사는 IBM Quantum Experience 플랫폼을 통해 양자 시스템에 대한 접근성을 제공합니다.

이번 달 초 IBM은 1,000개 이상의 큐비트를 갖춘 양자 프로세서 Condor와 133개의 큐비트를 가진 유틸리티 규모 프로세서 IBM Quantum Heron을 공개했습니다. 또한 모듈식 양자 컴퓨터인 Quantum System Two의 출시를 발표했습니다. 동시에 소프트웨어 스택 Qiskit을 통해 양자 컴퓨팅 개발을 널리 접근 가능하게 하는 것을 목표로 하고 있습니다.

올해 일본 국립 연구소인 RIKEN은 IBM의 양자 프로세서와 양자 컴퓨터 아키텍처를 슈퍼컴퓨터 Fugaku와 통합하기 위해 배치할 것이라고 발표했습니다.

한편, 이 회사의 최근 연구 분야에는 다음이 포함됩니다:

• 높은 임계값과 낮은 오버헤드를 갖는 오류 내성 양자 메모리.
• 브레이크 이븐을 초과하는 충실도를 가진 매직 스테이트 인코딩.
• 클라우드 기반 초전도 양자 컴퓨터에서 대규모 양자 스핀 체인 시뮬레이션.

작성 시점 기준으로, 회사 주가는 $167.36에 거래되고 있으며 연초 대비 2.33% 상승했으며, 시가총액은 $153.73억입니다. IBM은 매출(TTM) $62.07억, EPS(TTM) 9.19, P/E(TTM) 18.22를 보고했으며, 배당 수익률은 3.99%입니다.

최근 2024년 1분기 재무 보고에서 IBM은 해당 분기 매출이 전년 대비 1.5% 증가하여 $14.5억, 자유 현금 흐름은 $1.9억을 기록했습니다. 회사는 “견고한 매출 및 자유 현금 흐름 성장”이 클라우드와 AI 전략의 강점을 반영한다고 언급했습니다.

#2. Google

양자 컴퓨팅 분야에서 Google은 하드웨어와 소프트웨어 모두를 다루는 Quantum AI 연구소를 통해 큰 진전을 이루고 있습니다. 몇 년 전 이 부서는 53큐비트 양자 프로세서인 Sycamore를 출시했습니다. 현재 이 거대 기술 기업의 하드웨어는 초전도 큐비트에 집중하고 있으며, 고급 소프트웨어 스택은 양자 컴퓨팅의 잠재력을 탐구하고 있습니다.

몇 달 전 Google은 양자 컴퓨팅의 실제 활용 사례를 찾기 위한 다년간 글로벌 경연을 시작했으며, 상금 $5백만을 최종 후보자들에게 분배할 예정이라고 발표했습니다. Google은 3월에 다음과 같이 언급했습니다:

“양자 컴퓨팅의 잠재력에 대해 낙관할 이유가 많지만, 언제, 어떻게, 그리고 어떤 실제 문제에 대해 이 기술이 가장 변혁적일지에 대한 전체 범위는 아직 다소 불투명합니다.”

이 분야에서 회사의 최근 연구에는 표면 코드 논리 큐비트를 확장하여 양자 오류를 억제하고, 무작위 회로 샘플링에서의 위상 전이, 그리고 잡음이 있는 양자 프로세서에서 측정 유도 얽힘 및 텔레포테이션을 포함합니다.

작성 시점 기준으로, 회사 주가는 $107.48에 거래되고 있으며 연초 대비 21.94% 상승했으며, 시가총액은 $2.12조입니다. Google은 매출(TTM) $218.14억, EPS(TTM) 6.52, P/E(TTM) 26/13을 보고했으며, 배당 수익률은 0.47%입니다.

2024년 1분기 실적에서, 회사는 매출이 13% 상승해 $86.3억, 순이익 $20.28억, 그리고 주당 $20의 사상 최초 배당금을 보고했습니다. 2024년 봄에 시가총액이 $2조라는 새로운 이정표에 도달해 세계에서 네 번째로 가치 있는 상장 기업이 되었습니다.

결론

실용적인 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 경쟁이 진행되고 있으며, 연구원들은 큐비트를 이해하고 다양한 큐비트 기술을 활용하는 데 집중하고 있습니다. 큐비트는 모든 데이터 처리, 전송 및 저장을 담당하는 양자 컴퓨터의 기반입니다. 따라서 여기서 다룬 최신 두 연구를 포함한 모든 연구가 큐비트를 중심으로 진행되고 있으며, 이는 실용적인 양자 컴퓨터 구축에 도움이 되고자 합니다.

여기에서 최고의 양자 컴퓨팅 기업 다섯 곳 목록을 확인하십시오.