어디서나 사용할 수 있는 양자 컴퓨터

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-06-21 23:43:20
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* 모듈식 구조, 데이터 센터에서 사용되는 두 개의 일반적인 19인치 서버 랙에 맞도록 개발
* 24개의 칼슘 이온을 큐비트로
* 2022년가지 50큐비트 개발 목표

어디서나 사용할 수 있는 양자 컴퓨터
두 개의 공통 서버 랙에 맞는 모듈식 소형 양자 컴퓨터


대중에 적합한 표준 형식 :
연구원들이 처음으로 일반 19인치 서버 랙에 맞고 최소한의 노력으로 작동할 수 있는 양자 컴퓨터를 개발했다. 이것은 일반 데이터 센터에서 양자 컴퓨터를 통합하는 길을 열었다. 콤팩트 한 모듈식 설계에도 불구하고 24큐비트 시스템은 초기 테스트에서 알 수 있듯이 실험실 크기의 시스템과 유사한 우수한 성능을 달성한다. 

▲ 새로운 소형 양자 컴퓨터의 핵심인 이온 트랩. 현재 24개의 퀀텀 비트를 포함하고 있으며 곧 50큐비트가 될 수 있다.

© University of Innsbruck


양자 컴퓨터는 미래의 컴퓨터로 간주된다.
얽힘 및 중첩과 같은 양자 물리 현상 덕분에 기존 컴퓨터보다 더 효과적이고 빠르게 많은 작업을 해결할 수 있다. 그러나 지금까지 이러한 시스템은 매우 민감했으며 전체 실험실을 차지했다. 이미 상업적으로 사용되는 최초의 양자 컴퓨터가 있더라도 널리 사용될 수 있는 대량 생산 컴퓨터보다 훨씬 더 독립적이었다.

모듈식, 소형 및 자급자족

이것은 곧 바뀔 것이다. 인스브루크 대학의 Thomas Monz가 이끄는 팀은 크기가 적합한 양자 컴퓨터를 만들기 위해 노력하고 있다. 기존 컴퓨터에서와 마찬가지로 이 기술은 더 이상 전문가만이 아니라 최종 사용자가 직접 운영할 수 있어야 한다. 이를 위해 양자 컴퓨터는 작고 모듈 식이며 가능한 한 자동화되고 사용하기 쉬워야 한다.

팀은 최근 이 방향으로 첫걸음을 내디뎠다.
모듈식 구조를 갖고 데이터 센터에서 일반적으로 사용되는 두 개의 일반적인 19인치 서버 랙에 맞는 양자 컴퓨터를 개발했다. "이제는 가능한 한 가장 작은 공간에 기술을 수용하는 동시에 업계에서 공통적인 규범과 표준을 충족시키는 문제였다"고 Monz는 설명했다. 양자 컴퓨터는 독립적으로 작동 할 수 있으며 곧 온라인으로 프로그래밍할 수도 있다.
▲ 소형 양자 컴퓨터는 2개의 19인치 서버 랙에 수용할 수 있다. © Universität Innsbruck

24개의 칼슘 이온을 큐비트로

특히 이 시스템은 여러 개의 캡슐화 된 모듈로 구성되어 있으며 서로 겹겹이 쌓이고 두 개의 서버 랙에 보관된다. 첫 번째는 제어 전자 장치뿐만 아니라 양자비트를 조작하고 읽는 데 필요한 기술을 포함한다. 이 랙의 핵심은 24개의 얽힌 칼슘 이온(Ca+)이 자석 트랩에 담겨있는 진공 챔버 이온 트랩이다.

특수 차폐 및 진동 댐퍼로 보호되는 이러한 큐비트(Qbit)는 레이저 빔을 통해 다른 에너지 상태로 전환된다. 이러한 전환은 일반 계산기의 0과 1에 해당한다. 이 조작 및 후속 판독에 필요한 레이저 빔은 두 번째 서버 타워에서 생성된다. 광학 랙과 트랩 랙은 광학 및 전기 케이블을 통해 서로 연결된다.

안정적이고 신뢰할 수 있는 계산

Monz와 그의 팀은 이 모듈 식 소형 양자 컴퓨터가 여러 테스트에서 얼마나 잘 작동하는지 테스트했다. 이를 통해 시스템은 최대 24큐비트로 계산하고 개별 및 인터레이스 논리 게이트를 모두 생성한다. "우리가 아는 한 이것은 오류 수정이나 후속 선택 없이 시스템에서 생성된 가장 큰 최대 얽힌 상태이다"고 Monz와 동료는 말했다. "이것은 우리 시스템의 능력을 보여준다.“

팀은 또한 오류 및 안정성에 대한 민감성 측면에서 결과를 유망하다고 평가했다.
진동이나 외부 자기장이 얽힌 양자비트의 일관된 상태를 어느 정도 방해하지 않았다. 오류율도 한계 내로 유지되었다. "우리는 주소 지정된 단일 이온 게이트 당 99.8%의 신뢰성을 달성했다"고 연구원들은 보고했다. 24큐비트 모두에서 추가 수정이 없는 신뢰성은 54.4%였다.
▲ 소형 양자 컴퓨터의 구조. © Pogorelov et al. / PRX Quantum, CC-by-sa 4.0

내년까지 50큐비트로 증가

과학자들에 따르면 이것은 소형 양자 컴퓨터가 일반적인 실험실 양자 컴퓨터를 따라갈 수 있음을 보여준다. 몬즈(Monz)의 동료 Christian Marciniak은 "컴팩트하게 만들기 위해 기능을 희생할 필요가 없음을 보여줄 수 있었다"고 말했다. 팀은 이미 양자 컴퓨터의 기능을 확장하기 위해 노력하고 있다. 초기 시도에서 그들은 이미 시스템에서 50큐비트를 생성하는 데 성공했으며 2022년까지 이 큐비트 세트를 사용하여 계산하기를 바라고 있다.

연구자들은 그들의 접근 방식이 장기적으로 양자 컴퓨터를 보다 널리 사용하게 해 더욱 다재다능하게 만드는 방법이라고 생각한다. 큐비트를 사용한 계산은 특별한 지식 없이 일반 데이터 센터에서도 가능해야 한다.
(PRX Quantum, 2021; doi : 10.1103 / PRXQuantum. 2.020343)
출처 : 인스브루크 대학교, 미국 물리학회

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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