물리학자들이 256개의 큐비트를 갖춘 특별한 양자 컴퓨터를 개발하다

양자 컴퓨팅에서 주요한 발전인 것으로, 하버드-MIT 초저온 원자 연구 센터의 물리학자 팀과 다른 대학의 연구자들이 특별한 유형의 양자 컴퓨터를 만들었다. 이 시스템은 프로그래밍 가능한 양자 시뮬레이터라고 불리며, 256개의 양자 비트, 즉 “큐비트”로 작동할 수 있다. 큐비트는 양자 컴퓨터의 작동에 필수적이며, 처리 능력의 원천이다.

새로운 개발은 대규모 양자 기계를 달성하는 데 우리를 더 가까이 가져온다. 이러한 기계는 복잡한 양자 프로세스에 대한 깊은 통찰력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 재료 과학, 통신 기술, 금융 및 현재 연구에서 장벽에 직면한 다른 분야에서重大한 영향을 미칠 수 있다.

이 연구는 7월 9일 네이처에 발표되었다.

분야를 앞으로 밀어붙이다

미하일 루킨은 물리학의 조지 바스머 레버렛 교수이자 하버드 양자 이니셔티브의 공동 책임자이다. 그는 또한 연구의 선임 저자이다.

“이것은 분야를 지금까지 아무도 가지지 못한 새로운 영역으로 이동시킨다”라고 루킨은 말했다. “우리는 완전히 새로운 양자 세계의 일부로 들어가고 있다.”

세페르 에바디는 예술 과학 대학원에서 물리학 학생이자 연구의 주요 저자이다.

에바디에 따르면, 시스템의 가장 큰 특징은 크기와 프로그래밍 가능성이며, 이는 최고의 시스템 중 하나로 만든다. 이는 물질의 특성을 극도로 작은 규모에서 이용할 수 있게 해주며, 처리 능력을 향상시킬 수 있다. 큐비트의 증가로 인해 시스템은 기존 컴퓨터에서 사용하는 고전적인 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 저장하고 처리할 수 있다.

“256개의 큐비트로 가능한 양자 상태의 수는 태양계의 원자 수를 초과한다”라고 에바디는 말했다.

시뮬레이터는 연구자들이 이질적인 양자 물질 상태를 관찰하고 양자 위상 전이 연구를 수행할 수 있게 해주었으며, 이는 매우 정밀하여 양자 수준에서磁性이 어떻게 작동하는지 보여주었다.

연구자에 따르면, 이러한 실험은 과학자들이 이질적인 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 방법을 배우는 데 도움이 될 수 있다.

새로운 시스템

이 프로젝트는 2017년에 연구자들이 개발한 플랫폼을 기반으로 하지만, 이번에는 크게 업그레이드되었다. 이전에는 51개의 큐비트 크기까지 도달할 수 있었으며, 연구자들은 일차원적으로 개별적으로 초점을 맞춘 레이저 빔의 배열을 사용하여 초저온 루비듐 원자를 잡고 특정 순서로 배열할 수 있었다.

이 시스템은 원자를 2차원 배열의 광학 핀셋으로 조립할 수 있게 해준다. 이는 레이저 빔의 이름이다. 이를 통해 달성 가능한 시스템 크기는 51개에서 256개의 큐비트로 증가할 수 있다. 연구자들은 핀셋을 사용하여 원자를 결함이 없는 패턴으로 배열하고 프로그래밍 가능한 모양을 만들 수 있으며, 이는 큐비트 간의 다른 상호작용을 가능하게 한다.

“이 새로운 플랫폼의 작업은 공간 광 조작기라고 하는 장치인데, 이는 광파를 형성하여 수백 개의 개별적으로 초점을 맞춘 광학 핀셋 빔을 생성한다”라고 에바디는 말했다. “이 장치는 본질적으로 컴퓨터 프로젝터 내부에서 화면에 이미지를 표시하는 것과 동일하지만, 우리는 이를 양자 시뮬레이터의 중요한 구성 요소로 적응시켰다.”

원자는 처음에 광학 핀셋에 무작위로 로드되며, 연구자들은 원자를 이동시키고 목표 기하학적 모양으로 배열한다. 두 번째 세트의 이동 광학 핀셋을 사용하여 원자를 원하는 위치로 끌어들이며, 이는 초기 무작위성을 제거한다. 레이저는 연구자들이 원자 큐비트의 위치와 그들의 일관된 양자 조작을 완전히 제어할 수 있게 해준다.

투 왕은 하버드 대학교 물리학 연구원이며 논문의 저자 중 한 명이다.

“우리의 작업은 더 큰 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 글로벌 경쟁의 일부이다”라고 왕은 말했다. “전체 노력은 최상위 학술 연구 기관과 구글, IBM, 아마존 등 주요 사설 투자와 함께 진행되고 있다.”

팀은 현재 시스템을 개선하기 위해 큐비트에 대한 레이저 제어를 향상시키고 시스템을 더 프로그래밍 가능하게 만들고 있다. 연구자에 따르면, 가능한 응용 분야에는 이질적인 양자 물질의 형태를 조사하고 큐비트에 자연스럽게 인코딩할 수 있는 실제 문제를 해결하는 것이 포함된다.

“이 작업은 수많은 새로운 과학적 방향을 가능하게 한다”라고 에바디는 말했다. “우리는 이러한 시스템이 할 수 있는 것의 한계에 근처에도 없다.”