실리콘 기반 양자 비트 회로, 처음으로 신뢰성 99% 이상 달성

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-20 14:36:04
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- 큐비트의 상태는 일반적으로 약 100마이크로초 동안만 안정적으로 유지
- 이것은 오류율을 증가시키고 더 많은 큐비트, 더 높은 전력으로 확장하는 것 어렵게 해
- 실리콘 기반 양자 컴퓨터가 필요한 오류 허용 오차도 달성할 수 있음 증명
- 실리콘 양자 컴퓨터가 대규모 양자 컴퓨터에도 유망한 후보

실리콘 양자 컴퓨터의 혁신
실리콘 기반 양자 비트 회로, 처음으로 99% 이상의 신뢰성 달성


실리콘 양자 컴퓨터로 가는 길에서 중요한 장애물이 해결됐다.
처음으로 세 팀이 최소 99%의 신뢰성 한계를 크게 초과하는 실리콘 양자 회로를 구성했다.
과학자들이 전문 저널 "네이처"에 보고한 바와 같이 실리콘 기반 양자 컴퓨터는 기존 양자 시스템 수준으로 이동하고 있으며 미래에는 확장성 및 안정성 측면에서 이를 능가할 수도 있다. 

▲ 연구원들이 양자 컴퓨터에 필요한 신뢰성을 갖춘 실리콘 기반 양자 회로를 처음으로 개발했다. © Tony Melov / UNSW

양자 컴퓨터는 더 이상 미래의 꿈이 아니다.
최초의 양자 시스템은 기존 컴퓨터보다 작업을 더 빠르게 해결할 수 있음을 이미 입증했다.
Google 및 IBM과 같은 회사는 이미 양자 컴퓨터를 상업적으로 사용하고 있다. 이 시스템은 초전도 준입자의 양자 비트 또는 자기 트랩에 갇힌 이온을 컴퓨팅 장치로 사용한다.

그러나 여기에는 단점이 있다. 큐비트는 상대적으로 크고 간섭에 취약하다.
큐비트의 상태는 일반적으로 약 100마이크로초 동안만 안정적으로 유지된다. 이것은 오류율을 증가시키고 양자 컴퓨터를 더 많은 큐비트와 더 높은 전력으로 확장하는 것을 더 어렵게 만든다. 이전 기록은 127큐비트이다.

초전도체 혹은 이온 대신 실리콘

실리콘 기반 양자 컴퓨터가 도움이 될 수 있다.
고전적인 컴퓨터 칩이 만들어지는 반도체가 특히 작고 안정적이며 잘 정의된 큐비트를 가능하게 하기 때문이다. 이 양자점은 스핀 방향이 디지털 0 또는 1 역할을 할 수 있는 개별 원자 또는 전자로 구성된다. 최근 몇 년 동안 이러한 실리콘 양자 비트를 실제 온도에서 개별적으로 제어하고 최대 35초 동안 일관성을 유지하는 것이 이미 가능했다.

뉴사우스웨일즈 대학의 안드레아 모렐로(Andrea Morello)는 "양자 세계에서 35초는 절반의 영원"이라고 설명했다. 문제는 이전의 실리콘 기반 양자 시스템이 너무 오류가 발생하기 쉽다는 것이다. 개별 실리콘 큐비트는 99.9%의 신뢰성을 달성했다. 그러나 두 개를 결합해 논리 게이트를 구성하면 오류 허용 오차가 올바른 계산에 필요한 99% 임계값 아래로 떨어진다.

전자스핀과 외부 원자

이제 상황이 바뀌었다.
3개의 연구 그룹이 99% 이상의 신뢰성을 달성하는 실리콘 기반 양자 회로를 독립적으로 개발했다. 이 시스템 중 2개는 실리콘-게르마늄 매트릭스에 있는 개별 전자의 스핀을 양자점으로 사용한다. 세 번째 시스템의 큐비트는 실리콘의 인 불순물에서 스핀에 의해 생성된다. 세 팀 모두 자기장을 사용해 스핀과 큐비트의 동작을 제어했다.

연구원들은 2개의 큐비트를 논리적 NOT 및 CNOT 게이트로 결합한 다음 표준화된 알고리즘을 사용해 시스템의 성능과 오류에 대한 취약성을 테스트했다.

결과:
세 팀이 보고한 대로 2큐비트 게이트는 99.35~99.65%의 신뢰성을 달성했다.
세 연구팀 중 한 팀의 리더인 모렐로(Morello)는 "오류가 매우 드물어지면 오류가 발생하는 즉시 이를 감지하고 수정할 수 있다"고 설명했다.
▲ Morello와 그의 팀은 양자 회로의 기초로 두 개의 인 불순물 원자와 전자를 사용했다. © Tony Melov / UNSW


큐비트에서 논리 게이트로

양자 회로를 위해 Morelli와 그의 팀은 큐비트로 실리콘에 주입된 인 ​​원자에 대한 초기 실험을 기반으로 했다. 연구원들은 "이 두 원자가 서로 직접 결합될 수 없기 때문에 이것으로 두 큐비트 작업은 사소한 일이 아니다"고 설명한다. 여전히 논리 게이트를 구성하기 위해 추가 전자를 매개체로 사용했다. 두 인 큐비트는 이 전자와 얽힐 수 있으므로 상호 연결이 가능하다.

일본 리켄(RIKEN) 연구소의 아키토 노리(Akito Nori)와 델프트 공과대학의 샤오 유에(Xiao Yue)가 이끄는 두 팀은 다른 기술을 사용했다. 그들의 큐비트는 게르마늄이 풍부한 실리콘과 순수 실리콘의 이종 매트릭스에 있는 단일 전자로 구성된다. 논리 게이트의 경우 양자점을 너무 가깝게 가져와 스핀이 상호 작용하고 얽힘이 가능해졌다.

시스템과 오류에 대한 취약성을 테스트하기 위해 세 연구 그룹은 실리콘 양자 컴퓨터가 여러 표준화된 알고리즘을 구현하도록 했으며 성공했다. 세 가지 경우 모두에서 큐비트 게이트는 안정적이고 작동 가능한 것으로 판명됐다.

실리콘 양자 컴퓨터가 움직이고 있다.

과학자들에 따르면 이러한 발전은 실리콘 기반 양자 컴퓨터가 필요한 오류 허용 오차도 달성할 수 있음을 증명했다. RIKEN 연구 센터의 Seigo Tarucha는 "제시된 결과는 성능 면에서 초전도 회로 및 이온 트랩과 함께 스핀 큐비트를 처음으로 경쟁력 있게 만들었다"고 말했다. "이는 실리콘 양자 컴퓨터가 대규모 양자 컴퓨터에도 유망한 후보임을 보여준다.“

실리콘 양자 컴퓨터가 움직이고 있다.


과학자들에 따르면 이러한 발전은 실리콘 기반 양자 컴퓨터가 필요한 오류 허용 오차도 달성할 수 있음을 증명했다. RIKEN 연구 센터의 Seigo Tarucha는 "제시된 결과는 성능 면에서 초전도 회로 및 이온 트랩과 함께 스핀 큐비트를 처음으로 경쟁력 있게 만들었다"고 말했다. "이는 실리콘 양자 컴퓨터가 대규모 양자 컴퓨터에도 유망한 후보임을 보여준다.“

Virginia Polytechnic Institute의 Ada Warren과 Sophia Economou도 비슷하게 보고 있다. 네이처(Nature)에 실린 논평에서 그들은 다음과 같이 기술했다.
"세 그룹 모두의 결과는 실리콘 기반 양자 정보 처리를 실질적으로 사용 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼에 한 걸음 더 가깝게 만든다. 초전도 큐비트 및 이온 트랩을 포함한 다른 시스템은 거의 달성하지 못한 상태다."
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04182-y; doi: 10.1038/s41586-021-04273-w; doi: 10.1038/s415706)
출처: RIKEN, University of New South Wales

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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