요약:
최근 국제 과학 연구팀은 양자 시스템을 크게 방해하지 않고 큐비트 상태를 얻을 수 있어 미래 양자 컴퓨터의 모니터링 및 제어를 위한 보다 효율적인 기술 경로를 제공할 것으로 예상되는 새로운 양자 정보 판독 방법을 제안했습니다. 연구에 따르면 "Andreev qubits"라고 불리는 일종의 양자 장치는 생성되는 전류 신호를 통해 내부 상태를 노출할 수 있으므로 기존 측정 중에 양자 정보의 파괴를 줄일 수 있습니다.
클래식 컴퓨터에서 비트는 0과 1이라는 두 가지 상태만 가정할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨팅의 큐비트는 0과 1을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 이 둘이 중첩되어 형성된 양자 상태일 수도 있습니다. 양자 컴퓨터가 특정 작업에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘할 것으로 예상되는 것은 이러한 특성 때문입니다. 그러나 동시에 양자 상태는 매우 취약하며 환경 간섭과 측정 행위 자체로 인해 상태가 변경되고 정보 손실이 발생할 수 있습니다.
이 연구는 Andreev 큐비트에 중점을 둡니다. 이러한 큐비트는 초전도 물질 사이에 형성된 특수 양자 상태를 기반으로 합니다. 연구팀이 설계한 시스템은 극도로 얇은 인듐 비소 나노와이어로 구성된다. 나노선의 양 끝은 초전도 물질과 연결되어 있고, 중앙에는 양자점이 형성되어 전자 활동 공간을 제한한다. Andreev 큐비트의 상태는 이 미세한 환경에서 형성됩니다.
연구 리더 중 한 명이자 브라질 상파울루 대학교 산 카를로스 물리학 연구소 교수인 호세 카를로스 에게스(José Carlos Egues)는 전통적인 양자 역학의 틀에서 큐비트를 직접 측정하면 큐비트가 특정 상태로 붕괴되어 원래 보존된 정보가 파괴되는 경우가 많다고 말했습니다. 따라서 현재의 많은 양자 컴퓨팅 솔루션은 보조 큐비트를 "중개자"로 도입하여 먼저 정보를 보조 큐비트에 전송한 다음 후자를 측정하여 대상 큐비트에 대한 영향을 최소화합니다.
그러나 이 방법에는 추가 장비와 운영 단계가 필요하므로 시스템이 더욱 복잡해집니다. 연구팀은 보조 큐비트에 의존하지 않고 타겟 큐비트 자체에서 생성된 신호를 직접 활용해 정보를 읽는 색다른 아이디어를 제안했다.
이론적 계산에 따르면 큐비트는 폐쇄된 초전도 회로에 배치되어 있으며 회로에는 저항 없이 초전류가 흐르고 있습니다. 연구에 따르면 큐비트가 중첩 상태에 있을 때 서로 다른 상태 사이의 양자 간섭으로 인해 일부 초전류가 주기적인 진동을 생성하는 것으로 나타났습니다. 이 진동 신호는 연구자들이 양자 정보를 얻는 데 핵심입니다.
일반적으로 이러한 유형의 진동 현상을 생성하려면 전압을 인가해야 하는데, 이것이 유명한 AC 조셉슨 효과입니다. 본 연구에서 제안한 시스템은 외부 전압을 필요로 하지 않으며, 진동은 전적으로 큐비트 자체 상태의 진화 과정에서 파생됩니다. 이는 큐비트가 자체 상태 정보를 적극적으로 "공개"한다는 것을 의미합니다.
이 약한 신호를 감지하기 위해 연구진은 SQUID(초전도 양자 간섭계)를 판독 장치로 설계하고 사용했습니다. SQUID는 매우 약한 자기장 변화를 감지할 수 있습니다. 연구팀은 큐비트와 SQUID가 서로 가까운 두 개의 나침반으로 간주될 수 있음을 생생하게 밝혔습니다. 큐비트의 전류는 자기장을 생성하고 SQUID는 이러한 자기장의 변화를 감지합니다. 둘 사이의 결합은 매우 약하기 때문에 큐비트 자체에서 측정 장치에 의해 생성되는 섭동도 매우 제한적입니다.
추가 분석에 따르면 큐비트 상태에 대한 모든 주요 정보가 초전류에 인코딩되어 있는 것으로 나타났습니다. 초전류에는 일정한 부분과 진동하는 부분이 모두 포함되어 있습니다. 정전류 값과 진동의 진폭은 양자 상태에서 0과 1의 비율을 나타낼 수 있으며, 진동이 시작되는 시간은 두 상태 간의 위상 관계를 반영합니다. 시간이 지남에 따라 전류가 어떻게 변하는지 기록함으로써 연구자들은 큐비트의 원래 양자 상태를 재구성할 수 있었습니다.
이 접근 방식은 또한 연구자들이 측정 후 큐비트를 다시 초기화할 필요 없이 큐비트의 진화를 지속적으로 추적할 수 있어 양자 시스템의 동적 동작을 더 쉽게 관찰할 수 있다는 중요한 이점도 있습니다.
연구팀은 시뮬레이션 실험에 측정 노이즈, 감지 코일 피드백 등 현실적인 요소를 추가했습니다. 결과는 측정 횟수에 따라 측정 정확도가 각각 99.52%, 99.81% 및 99.85%에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 지표는 현재 양자 오류 정정 기술에서 일반적으로 사용되는 정확도 요구 사항에 도달했습니다.
연구원들은 이 솔루션이 양자 측정의 불가피한 영향이라는 기본적인 문제를 근본적으로 해결하지는 못하지만, 기존 비파괴 측정 솔루션에서 보조 큐비트에 대한 의존도를 없애면서 이러한 영향을 매우 낮은 수준으로 줄일 수 있다고 지적했습니다.
이 연구는 브라질 상파울루대학교와 중국 베이징공과대학 연구진이 공동으로 완료했습니다. 해당 결과는 'Physical Review B'에 게재됐다. 연구팀은 초미약 전류와 자기장을 감지하는 데 사용되는 SQUID 기술이 이미 상당히 성숙해졌기 때문에 이 솔루션을 구현하기 위해 새로운 재료나 제조 기술 혁신을 기다릴 필요가 없다고 밝혔습니다. 연구에 사용된 모든 매개변수는 실제 시스템에서 파생되었습니다. 실제로 구축되지 않은 유일한 것은 연구팀이 제안한 특정 장치 구조와 실험 레이아웃입니다.
해당 실험적 검증이 완료된다면 큐비트 자체의 초전류를 통해 양자 정보를 읽는 이 새로운 방법은 미래 양자 컴퓨터가 고정밀, 저간섭 모니터링을 달성하는 데 중요한 기술 기반이 될 것으로 기대된다.
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