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- 두 개의 헬륨 동위 원소의 액체 혼합물로 시스템 냉각시키면 큐비트를 약 50mK까지만 냉각
- 양자 냉장고는 대상 큐비트와 두 개의 추가 유닛 간의 3체 상호 작용을 사용
- 새로운 기술을 사용해 큐비트를 22밀리켈빈까지 냉각하는 데 성공, 오류 가능성 줄여
- 기본 상태에서 큐비트의 확률을 99.97%까지 높일 수 있다

최초의 큐비트용 양자 냉장고
물리학자들은 초전도 양자 컴퓨터를 위한 새로운 냉각 개념을 시연했다.

양자 규모의 열 엔진:
물리학자들은 양자 컴퓨터 큐비트를 냉각하여 절대 영도보다 불과 2만2000분의 1도 높은 온도를 기록할 수 있는 새로운 유형의 양자 냉장고를 개발했다. 연구팀은 Nature Physics에 이를 통해 초전도 큐비트가 기본 상태로 돌아와 양자 컴퓨터를 더 안정적으로 만들고 오류 발생 가능성을 줄일 수 있다고 설명했다. 이 시스템의 기본은 각각 3개의 양자 단위 간의 열 교환이다. 

▲ 이 양자 칩의 중심에는 큐비트를 22밀리켈빈까지 냉각할 수 있는 새로운 유형의 양자 냉장고가 있는데, 이는 새로운 기록이다. © Lovisa Håkansson/ Chalmers University of Technology

양자 컴퓨터는 강력하지만 매우 민감하다. 아주 작은 교란이라도 큐비트의 양자 물리적 중첩과 얽힘을 붕괴시킨다. 이를 방지하기 위해 Google, IBM 등의 양자 컴퓨터에 사용된 초전도 큐비트는 절대 영도 바로 위의 온도로 냉각된다. 이를 통해 양자점은 기저 에너지 상태에 가까워지며, 이것은 디지털 제로에 해당한다.

낮은 온도를 달성하기 위해 주로 희석 저온 저장 장치가 사용된다. 그들은 두 개의 헬륨 동위 원소의 액체 혼합물을 사용하여 시스템을 냉각시킨다. 그러나 이렇게 하면 큐비트를 약 50mK(밀리켈빈)까지만 냉각할 수 있다. 양자 컴퓨터의 안정성과 성능을 높이려면 더 낮은 온도가 필요하다.

▲ 초전도 큐비트를 기반으로 하는 일반적인 양자 컴퓨터의 가장 큰 부분은 냉각 시스템으로 구성되며, 여기서는 파이프로 표시되어 있다. © Bartlomiej Wroblewski/ Getty 이미지

냉장고의 원리를 양자입자로 옮기다

이제 물리학자들은 큐비트를 더욱 냉각할 수 있는 새로운 유형의 양자 냉장고를 개발했다. 스웨덴 칼메르스 대학의 모하메드 알리 아미르가 이끄는 팀은 2021년에 비슷한 형태로 이미 이론적으로 가정된 양자 냉장고의 개념을 사용했다. 이에 대한 모델은 일반 냉장고다. 냉각수를 이용해 내부의 열을 외부로 전달하여 작동한다. 이는 번갈아가며 증발, 압축, 응축된다. 히트 펌프와 유사하다.

아미르와 그의 팀은 이제 이 원리를 양자 세계로 옮겼다. 출발점은 소위 트랜스몬스(transmons)라고 불리는 형태의 초전도 큐비트다. 이들 양자 단위 중 3개가 이제 결합되었다. 한 큐비트는 냉각되는 컴퓨팅 장치이고, 인접한 큐비트 장치는 에너지원으로 사용되며, 세 번째 큐비트 장치는 "냉각수"와 방열판 역할을 한다. 각 장치는 마이크로파 도파관에 연결된다.

3체 상호작용에 의한 냉각

물리학자들은 "양자 냉장고는 이제 대상 큐비트와 두 개의 추가 유닛 간의 3체 상호 작용을 사용한다"고 설명했다. 구체적으로 이 과정은 다음과 같다. 마이크로파 펄스가 컴퓨팅 큐비트와 이에 결합된 두 번째 큐비트 단위를 자극하고 에너지가 여기에 공급된다. 결과적으로 발생하는 열은 세 번째 큐비트 단위로 전달된다. 이는 열을 흡수하여 대상 큐비트를 냉각시킨다.

여기서 요령은 세 양자 단위의 결합과 분리를 반복적으로 번갈아가면서 에너지 흐름에 영향을 미쳐 열이 컴퓨팅 큐비트에서 두 개의 "냉각 큐비트"로 흐르도록 할 수 있다는 것이다. 이 세 사람은 마치 소형 열기관처럼 행동한다. 또 다른 긍정적인 측면은 이 양자 열기관이 일단 작동되면 계속해서 독립적으로 작동하면서 구성 요소 간의 열 차이로부터 에너지를 얻는다는 것이다.

찰머스 대학의 수석 저자 시몬 가스파리네티는 "우리의 실험은 실용적인 작업을 수행하는 자율 양자 규모 열 엔진의 첫 번째 시연이다"고 말했다.

▲ 양자 냉장고는 각각 3개의 큐비트 유닛으로 구성된다. 가운데 것은 냉각될 컴퓨팅 큐비트이고, 위쪽은 따뜻하고, 아래쪽은 차갑고 방열판 역할을 한다. © Chalmers University of Technology, Boid AB/ NIST

기록적인 최저 기온이 새로운 가능성을 열어준다

아미르와 그의 팀은 이 새로운 기술을 사용해 큐비트를 22밀리켈빈까지 냉각하는 데 성공했다. 이는 새로운 기록이다. Gasparinetti는 "원래 우리의 실험은 개념 증명으로만 의도되었다"며 "우리는 양자 냉장고의 성능이 모든 기존 방법을 능가하고 큐비트를 기록적인 낮은 온도로 냉각한다는 사실을 발견하고 기뻤다"고 말했다.

물리학자에 따르면, 이 냉각 기술은 이제 더 견고하고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터에 대한 새로운 가능성을 열었다고 한다. "이 기술은 양자 컴퓨터의 일부에서 열을 추출한 다음 추가 냉각에 사용할 수 있음을 보여준다"고 미국 국립표준기술원(NIST)의 공동 저자인 니콜 윤거 핼펀이 설명했다. "이것은 우리가 전에는 상상하지 못했던 기술적 가능성을 열어줄 수 있다.”

Aamir는 "우리의 방법을 사용하면 기본 상태에서 큐비트의 확률을 99.97%까지 높일 수 있다"고 말했다. 반면, 이전 시스템은 99.8~99.92%의 성과를 달성했다. "이것은 아주 작은 차이처럼 보이지만 여러 번 계산하면 이 작은 차이조차도 양자 컴퓨터 성능에 엄청난 향상을 가져온다"고 물리학자는 설명했다. 이로 인해 오류가 상당히 줄어들고, 복잡한 오류 수정 시스템을 통해 제거해야 할 오류가 줄어든다.
참고: Nature Physics, 2025; doi: 10.1038/s41567-024-02708-5
출처: Chalmers University of Technology, National Institute of Standards and Technology (NIST)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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