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- 큐비트를 상호 연결하려면 서로 다른 트랩 영역 간의 특수 연결이 필요
- 다른 형태의 이온 트랩인 페닝 트랩(Penning Trap)을 적용
- 이온 기반 양자 기술의 새로운 기회

이온 양자 컴퓨터용 부스트(Boost)
새로운 이온 트랩으로 더 많은 이온 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터 구현 가능

지금까지 이온 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터는 확장하기 어려웠지만, 이제는 바뀔 수 있다. 물리학자들은 진동하는 장 대신에 정적으로 하전 입자를 제어하는 ​​방법을 발견했다. 연구원들이 "Nature"에서 보고한 것처럼, 이를 통해 이전보다 훨씬 더 많은 큐비트를 갖춘 이온 양자 컴퓨터를 개발할 수 있으며 응용 가능성이 확장된다. 이미 알려진 기술이 이러한 발전의 기초가 됐다. 

▲ 이 장치의 은색 돔 아래에는 이온 기반 양자 컴퓨터의 큐비트를 미래에 보다 쉽고 효율적으로 제어할 수 있는 새로 개발된 이온 트랩이 있다. © ETH 취리히 / Pavel Hrmo

지금까지 두 가지 변형이 양자 컴퓨터를 지배했다. IBM과 Google의 시스템은 초전도 충전 지점을 큐비트로 사용한다. 하지만 2022년에 개발된 최초의 모바일 양자컴퓨터와 논바이너리 양자컴퓨터는 이온을 연산 단위로 사용한다. 후자의 경우, 초저온 하전 원자는 일반적으로 진동하는 전기장과 자기장으로 만들어진 이온 트랩, 소위 폴 트랩(Paul Trap)에 고정된다.

"무선 주파수 트랩에 포획된 이온은 신뢰성이 높은 양자 게이트와 긴 일관성 시간을 가능하게 하기 때문에 양자 컴퓨팅의 주요 접근 방식 중 하나다"고 ETH Zurich의 Shreyans Jain과 그의 동료들은 설명했다.

폴 대신 페닝

그러나 문제는 폴 트랩의 진동 장이 큐비트를 가열하고 중첩과 얽힘을 해제하는 열을 생성한다는 것이다. 또한 큐비트를 상호 연결하려면 서로 다른 트랩 영역 간의 특수 연결이 필요하다. 이는 교차점으로 연결된 직선으로의 이온 전달을 제한하고 이온 기반 양자 컴퓨터의 확장을 제한한다. 따라서 폴 트랩은 최대 약 100개의 이온 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터를 구성하는 데에만 사용할 수 있다.

그러나 이제 Jain과 그의 팀은 대안을 개발했다. 이를 위해 그들은 양자 컴퓨팅의 요구에 맞게 다른 형태의 이온 트랩인 페닝 트랩(Penning Trap)을 적용했다. 이는 진동장 대신 정전기로 하전된 원자를 고정시켜 에너지 손실과 열 생산을 줄인다. 그러나 페닝 트랩은 매우 강한 자석을 필요로 하며 개별 이온의 조작이 어렵다. “전통적으로 페닝 트랩은 정밀 실험을 위해 많은 이온을 포착하고 싶지만 개별적으로 제어할 필요가 없을 때 사용된다”고 Jain은 설명했다.

▲ 통합 전극(노란색)과 자기장이 있는 마이크로칩은 이온을 특정 위치에 부유 상태로 유지한다. 양자 상태는 레이저 빔과 마이크로파를 사용하여 제어하고 측정할 수 있다. © Jain 외./Nature, CC-by 4.0

트랩은 이온의 상태와 움직임을 제어한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Jain과 그의 팀은 페닝 트랩의 새로운 변형을 설계했다. 이는 지구 자기장의 거의 십만 배에 달하는 3테슬라의 강력한 자기장을 생성할 수 있는 초전도 자석을 기반으로 한다. 이 자기장에는 여러 개의 전극이 있는 미세 가공된 칩이 있으며, 이는 또한 정적 4극 전기장을 생성한다. 둘 다 함께 양전하를 띤 단일 베릴륨 이온에 대한 트랩 역할을 한다.

이 트랩에 잡힌 이온은 마이크로칩 위에 떠 있으며 이제 양자 물리학 컴퓨팅에 중요한 중첩이 분해되지 않고 레이저나 마이크로파를 사용해 양자 상태를 제어하고 변경할 수 있다. Jain과 그의 동료들은 "우리는 이 시스템에서 이온의 완전한 양자 제어를 입증했다"고 말했다. 이는 이온을 본격적인 실제 사용 가능한 큐비트로 전환한다.

또한 긍정적인 점은 페닝 트랩의 이온 큐비트가 4개의 전극과 이들이 생성하는 전기장을 사용하여 목표한 방식으로 이동할 수 있다는 것이다. 일반적인 폴 트랩과 달리 어떤 방향도 가능하지 않다. 실험에서 연구자들은 이를 사용하여 이온이 여러 측정에서 "ETH"라는 단어가 나타나도록 이리저리 점프하게 했다.

▲ 물리학자들은 페닝 트랩에서 이온을 움직여 이 로고를 만들었다. 172번의 자리바꿈을 통해 발생한다. © Jain 외./Nature, CC-by 4.0

이온 기반 양자 기술의 새로운 기회

물리학자들에 따르면, 이 페닝 트랩 변형은 미래에 이온 기반 양자 컴퓨터를 더욱 확장할 수 있는 새로운 기회를 열어준다. Jain과 그의 팀은 “이는 대규모 이온 트랩 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터 및 양자 센서의 구현을 용이하게 한다”고 설명했다. 순수한 정적 필드 덕분에 이러한 많은 트랩을 하나의 칩에 수용할 수 있다.

다음으로 연구원들은 동일한 칩의 인접한 페닝 트랩에 두 개의 이온을 트랩하고 이러한 시스템에서 여러 큐비트를 사용하여 양자 연산을 수행하려고 한다. 이는 페닝 트랩의 이온을 사용하여 양자 컴퓨터를 구현할 수 있음을 확실하게 증명한다. "우리는 우리의 접근 방식을 통해 이온 트랩 물리학이 이전의 한계를 극복하고 컴퓨팅, 감지, 시뮬레이션 및 네트워킹 분야에서 새로운 길을 열 수 있을 것으로 기대한다"고 팀은 썼다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07111-x)
출처: 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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