양자 컴퓨팅, 현실 세계 응용에 한 걸음 더 가까이

양자 컴퓨팅 시장은 2030년까지 650억 달러에 달할 것으로 예상되지만, 현실 세계에서 구현되기 전에 여전히 많은 장벽이 있습니다. 그러나 양자 컴퓨팅은 우리가 직면한 가장 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 전 세계의 대학과 사립 기관의 연구 팀은 이를 현실로 만들기 위해 열심히 노력하고 있습니다.

이러한 팀 중 하나는 버지니아 대학교 공과대학의 전기 및 컴퓨터 공학부 교수인 Xu Yi가 이끌고 있습니다.

그의 팀은 광자 장치의 물리학과 응용 분야에서 전문성을 가지고 있으며, 이러한 장치는 통신 및 컴퓨팅과 같은 응용 분야에서 빛을 감지하고 형성하는 데 사용됩니다. 팀은 양자 속도를 달성하기 위해 필요한 장치의 수를 크게 줄이는 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 개발했으며, 이는 펜니 크기의 광자 칩에서 구현할 수 있습니다.

팀에는 Olivier Pfister, UVA의 양자 광학 및 양자 정보 교수, 그리고 한국과학기술원(KAIST)의 Hansuek Lee 교수도 포함되어 있습니다.

이 연구는 Nature Communications에 발표되었습니다.

또한 Zijiao Yang, 물리학 박사 과정 학생, 그리고 Mandana Jahanbozorgi, 전기 및 컴퓨터 공학부 박사 과정 학생의 지원을 받았습니다. 두 사람은 공동 1저자입니다.

양자 컴퓨팅 및 정보 처리

양자 컴퓨팅은 새로운 정보 처리 방법을 제공하며, 데스크톱 또는 랩톱 컴퓨터가 비트의 긴 문자열로 정보를 처리할 수 있도록 합니다. 비트는 0 또는 1의 값을 가질 수 있으며, 양자 컴퓨터는 정보를 병렬로 처리하므로 한 시퀀스의 정보가 처리되기 전에 다음 정보를 처리할 필요가 없습니다. 양자 비트는 양자 컴퓨팅의 기본 단위이며, 0과 1을 동시에 가질 수 있습니다. 양자 모드는 0과 1 사이의 모든 변수를 포함합니다.

연구자들은 현재 양자 속도를 달성하기 위해 필요한 많은 양자 모드를 효율적으로 생성하는 다양한 접근 방식을 연구하고 있습니다.

Yi가 개발한 새로운 광자 기반 접근 방식은 특히 유용합니다. 왜냐하면 빛의 필드는 또한 전자 스펙트럼을 가지고 있기 때문입니다. 이는 스펙트럼의 각 빛 波가 양자 단위가 될 수 있음을 의미합니다. Yi는 빛의 필드가 얽혀 있으면 양자 상태를 달성할 수 있을 것이라고 가정했습니다.

시스템 생성

Yi의 팀은 광자 칩의 밀리미터 크기 구조인 광자 마이크로 공진기에서 양자 소스를 생성했습니다. 여기서 광자는 단일 파장에서 다중 파장으로 변환하는 장치인 마이크로스코프를 생성하기 전에 광자가 회전하고 광학적 파워를积累합니다. 이는 양자 얽힘을 생성할 가능성을 높입니다.

Yi의 팀은 단일 마이크로 공진기에서 40개의 양자 모드를 생성하는 것을 검증하기 위해 다중화 기술을 사용했으며, 양자 모드의 다중화가 통합 광자 플랫폼에서 작동할 수 있음을 보여주었습니다.

“시스템을 최적화하면 단일 장치에서 수천 개의 양자 모드를 생성할 수 있을 것으로 예상합니다.”라고 Yi는 말했습니다.

Yi의 다중화 기술을 통해 우리는 실제 상황에서 양자 컴퓨팅을 사용할 수 있게 됩니다. 여기서 오류는 양자 상태와 그 취약한 성질 때문에 발생합니다.

오류의 수는 100만 개의 양자 비트를 필요로 할 수 있으며, 장치의 수가 비례하여 증가합니다. 다중화는 장치의 수를 2~3 차례 줄입니다.

Yi의 광자 기반 시스템에는 두 가지 장점이 있습니다. 첫째, 광자는 질량이 없기 때문에 광자 통합 칩을 사용하는 양자 컴퓨터는 실온에서 작동하거나 대기할 수 있습니다. Lee는 또한 표준 리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 칩에 마이크로 공진기를 제작했습니다. 이는 공진기 또는 양자 소스가 대량으로 생산될 수 있음을 의미합니다.

“우리는 양자 컴퓨팅의 공학 분야에서 경계를 확장하고 벌크 광학에서 통합 광학으로의 전환을 가속화하는 것을 자랑스럽게 생각합니다.”라고 Yi는 말했습니다. “우리는 광자 기반 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 장치와 회로를 통합하고 그 성능을 최적화하는 방법을 계속 탐색할 것입니다.”