요약:
양자 컴퓨터는 오랫동안 놀라운 컴퓨팅 잠재력을 갖고 있었지만 정보 저장 분야에서는 항상 어려움에 직면해 왔습니다. 이제 스위스 취리히연방공과대학(ETH Zurich) 연구팀이 미세구조에 기계적 진동을 발생시켜 정보를 저장하는 새로운 양자컴퓨팅 아키텍처를 제안해 양자메모리의 크기를 획기적으로 줄여 미래 프로그래밍 가능한 범용 양자컴퓨터의 기반을 마련할 것으로 기대된다.
연구팀이 개발한 새로운 양자칩은 '기계공진기'라는 작은 부품을 사용한다. 시스템이 양자 정보를 보존해야 할 때 이러한 구조는 매우 높은 주파수에서 진동하기 시작하고 정보는 이러한 진동 상태에 저장됩니다. 전체 칩의 크기는 길이 7.5㎜, 너비 2.5㎜, 높이 1㎜ 정도로 작은 손톱만한 크기다.
이 시스템은 기타와 유사한 방식으로 작동한다고 ETH Zurich의 양자 물리학자인 프로젝트 리더 Yiwen Chu는 말합니다. 기타 줄은 진동하여 음표를 생성하고, 새로운 양자 칩은 인간의 청각 범위를 훨씬 뛰어넘는 미세한 기계적 진동을 사용하여 양자 정보를 보존하고 처리합니다. 그러나 이러한 진동은 소리가 아니라 양자 상태 전달자입니다.
현재 주류 초전도 양자 컴퓨터는 일반적으로 컴퓨팅 작업과 정보 저장을 모두 담당하는 큐비트를 갖춘 고도로 통합된 설계를 채택합니다. 이 방법은 구조가 간단하지만 큐비트가 정보를 저장하는 시간이 상대적으로 짧고 복잡하고 장기적인 작업을 수행할 때 데이터가 쉽게 손실됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 시스템에서는 일반적으로 전자기 공진기를 추가로 연결하여 메모리로 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 공진기는 양자 상태를 일시적으로 보존할 수 있으므로 필요할 때 큐비트가 이를 다시 읽을 수 있습니다. 그러나 이러한 구조는 종종 마이크로파 공진 공동에 의존하고 마이크로파 파장은 종종 센티미터 범위에 있으므로 관련 구성 요소 크기도 큽니다.
절대 영도에 가까운 온도에서 작동해야 하는 양자 컴퓨터에게 우주는 매우 귀중한 자원입니다. 전체 시스템은 대형 극저온 냉각 장치에 배치되어야 하며 부피가 큰 전자기 메모리 모듈은 시스템 확장 기능을 크게 제한합니다. ETH 취리히 팀은 완전히 다른 접근 방식을 선택했습니다.
양자 정보는 광자 형태의 전자기파가 아니라 '포논'이라는 기계적 진동에 저장됩니다. 고체에서 음파의 전파 속도는 빛의 속도보다 훨씬 느리기 때문에 해당 파장도 크게 단축됩니다. 이는 동일한 공간에 더 많은 정보 저장 장치를 수용할 수 있음을 의미합니다. 연구팀은 이 새로운 아키텍처가 현대 디지털 컴퓨터의 CPU와 RAM의 관계와 유사하게 처음으로 양자 프로세서와 양자 작업 메모리의 역할을 명확하게 구분했다고 밝혔습니다. 초전도 큐비트는 계산과 제어를 담당하고, 기계적 공진기는 작업 메모리 역할을 하며 작동 중에 임시 데이터를 저장합니다.
연구원들은 이 디자인이 스토리지 밀도를 향상시킬 뿐만 아니라 시스템 구성 효율성도 향상한다고 믿습니다. 양자 처리 및 양자 스토리지가 다시 분할되므로 각 구성 요소는 가장 잘 수행하는 작업에 집중할 수 있어 전반적인 성능이 향상됩니다.
실험 동안 팀은 이 아키텍처를 사용하여 기본 양자 논리 연산과 보다 복잡한 양자 컴퓨팅 작업을 성공적으로 완료했으며 실제 시스템에서 이 설계의 타당성을 검증했습니다. 연구원들은 이것이 양자 컴퓨팅 아키텍처에서 진정한 프로그래밍 가능 시스템을 향한 중요한 단계라고 믿습니다.
추이웬(Chu Yiwen)은 양자 프로세서와 양자 메모리 간의 효율적인 협업이 미래의 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터가 처리할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 중요한 기반이라고 말했습니다. 그녀는 현대 컴퓨터와 유사한 분업이 명확한 아키텍처를 구축해야만 양자 컴퓨터가 더 큰 규모의 발전을 이룰 수 있다고 믿습니다.
현재 이 성과는 아직 실험적 연구 단계에 불과해 아직 상용 양자컴퓨터와는 거리가 멀다. 그러나 업계 관계자들은 양자 하드웨어의 규모가 계속 확장됨에 따라 양자 정보를 효율적으로 저장하고 호출하는 방법이 미래 양자 컴퓨팅 기능을 결정하는 중요한 요소가 될 것이라고 믿고 있습니다. 양자 메모리를 구축하기 위해 기계적 진동을 사용하는 이 새로운 아이디어는 차세대 양자 컴퓨팅 플랫폼을 위한 핵심 기술 경로를 제공할 수 있습니다.
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