2018.03.13

“큐비트 간 상관 거리는 16나노미터” 호주 연구팀, 양자 컴퓨팅의 과제 중 하나 해결

George Nott | Computerworld Australia
양자 컴퓨팅의 가능성에 대해 과학자들이 흥분하는 부분은 여러 개의 양자 비트(큐비트)에서 발생하는 이른바 ‘양자 얽힘(Quantum Entanglement)’이다.

양자 얽힘은 전통적인 비트와 구분되는 큐비트만의 고유한 특징이다. 캘리포니아 공대의 존 프레스킬은 양자 얽힘을 ‘이상한 책’에 비유해 설명했다. 이 비유에 따르면 “정보가 페이지 위에 쓰이지 않고 페이지 간의 상관관계 속에 저장되므로 정보를 보려면 모든 페이지를 동시에 읽어야 한다.”

이는 큐비트 스핀(spin)의 상호 작용을 나타낸다. 두 스핀이 가리키는 방향은 알 수 없더라도(0 또는 1 사이) 서로 반대 방향을 향하고 있다는 것을 안다. 두 개의 스핀은 일단 얽히면 서로 얼마나 멀리 떨어지든(인공 위성까지의 거리만큼 떨어진다 해도) 다음에 측정할 때 이 상태가 유지된다.

오스트레일리아의 뉴사우스웨일스 대학 안드레 모렐로 교수는 “양자 시스템의 막대한 컴퓨팅 역량을 활용하기 위한 열쇠는 이처럼 얽힌 양자 상태에 접근하는 것”이라고 설명했다. 모렐로 교수는 “양자 컴퓨팅에서 얽힌 상태는 기존과는 전혀 다른 컴퓨터 코드를 나타낸다. 데스크톱 컴퓨터에서는 두 개의 비트가 값을 갖지 않으면서 상반되는 값을 갖도록 코딩할 방법이 없지만, 양자 컴퓨터에서는 가능하다. 큐비트가 많을수록 이처럼 얽힌 양자 코드가 확산되고 큐비트의 수에 따라 기하급수적으로 증가한다”고 덧붙였다.

아인슈타인이 “도깨비 같은 원격 작용”이라고 기술했던 이 현상을 실용적인 양자 컴퓨터에서 포착하기란 대단히 어렵다. 현실에서 얽힌 상태는 극도로 부서지기 쉽고 외부 세계의 간섭에 의해 손쉽게 손상되기 때문이다.

UNSW 연구팀은 두 개의 상호작용하는 큐비트를 가진 실리콘 칩을 생산, 얽힘과 관련된 엔지니어링에서 “중대한 이정표”를 달성했다. UNSW를 거쳐 현재는 코펜하겐 대학에 속한 이 연구의 공동 저자 매튜 브룸 박사는 “한 전자의 스핀이 위를 향하고 다른 스핀이 아래를 향하는 모습은 놀라운 장면”이라고 말했다.

두 개의 인원자로 구성된 큐비트와 하나의 인원자로 구성된 큐비트를 묘사한 삽화. 두 개의 큐비트는 실리콘 칩에서 서로 16나노미터 간격으로 배치된다. UNSW 과학자들은 이 두 개의 큐비트 간 상호작용을 제어해서 전자의 양자 스핀이 상호 연계되도록 하는 데 성공했다. 한 전자의 스핀이 위를 향하면 다른 스핀은 아래를 향한다.

브룸은 “양자 컴퓨팅 기술에 있어 중대한 이정표다. 이러한 형태의 스핀 상관관계는 양자 컴퓨터가 작동해서 복잡한 계산을 수행하기 위해 필요한 얽힘 상태로 가기 위한 전 단계”라고 말했다.

UNSW 교수이며 양자 계산 및 통신 기술 발전 센터(CQC2T)의 책임자인 미셸 시몬스가 이끄는 UNSW 연구팀은 단일 인원자를 실리콘의 정확한 위치에 배치하고, 이 인원자의 전자 스핀을 큐비트로 사용하는 방법을 사용해 큐비트를 생성한다.

이 방법은 극히 긴 완화 및 영위상화 시간(양자 관점에서 보면 극히 길지만 실제로는 약 30초)을 논증했다는 면에서 미래의 큐비트에 대한 밝은 전망을 제시했다.

2018년 올해의 오스트레일리아인 상을 수상한 시몬스는 “큐비트를 만들기 위해 실리콘에 인원자를 배치하면서 주사 프로브를 사용해 원자의 파동 함수를 직접 측정하고 이를 통해 칩에서의 정확한 물리적 위치를 알 수 있음을 입증했다. 전 세계에서 큐비트의 실제 위치를 정확히 볼 수 있는 팀은 우리가 유일하다”고 강조했다.

실리콘에 정확히 배치된 인원자로 만들어진 큐비트의 전자 파동 함수를 보여주는 주사 터널 현미경 이미지.

시몬스는 “우리 연구진의 경쟁 우위는 고품질 큐비트를 칩에서 원하는 곳에 배치하고 결과를 육안으로 확인한 다음 현상을 측정할 수 있다는 것이다. 근처에 다른 큐비트를 추가해서 두 개의 파동 함수가 어떻게 상호작용하는지 볼 수 있다. 이후 이렇게 만든 소자의 복제본을 만들 수 있다”고 설명했다.
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연구팀은 최근 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 발표한 연구에서 두 개의 큐비트(하나는 두 개의 인원자로, 하나는 하나의 인원자로 구성)를 실리콘 칩에 16나노미터 간격으로 배치했다.

브룸은 “칩에 패턴화된 전극을 사용해서 인접 큐비트 간의 상호작용을 제어해 전자의 양자 스핀이 연계되도록 할 수 있다”고 설명했다.

여러 큐비트 칩을 제작하기 위해 극복해야 했던 큰 과제는 큐비트가 상호작용을 하고 정보를 표시하도록 하기 위해 필요한 큐비트 간의 거리를 파악하는 일이었다. 상관관계 효과를 얻기 위한 이론상 추정 거리는 20나노미터 거리였지만 실험 결과는 16나노미터로 나왔다.

UNSW의 연구 공동 저자 샘 고먼은 “양자 세계에서 이는 매우 큰 차이”라면서 “또한 실험주의자로서 이론에 도전한다는 것은 즐거운 일”이라고 말했다.  editor@itworld.co.kr

2018.03.13

“큐비트 간 상관 거리는 16나노미터” 호주 연구팀, 양자 컴퓨팅의 과제 중 하나 해결

George Nott | Computerworld Australia
양자 컴퓨팅의 가능성에 대해 과학자들이 흥분하는 부분은 여러 개의 양자 비트(큐비트)에서 발생하는 이른바 ‘양자 얽힘(Quantum Entanglement)’이다.

양자 얽힘은 전통적인 비트와 구분되는 큐비트만의 고유한 특징이다. 캘리포니아 공대의 존 프레스킬은 양자 얽힘을 ‘이상한 책’에 비유해 설명했다. 이 비유에 따르면 “정보가 페이지 위에 쓰이지 않고 페이지 간의 상관관계 속에 저장되므로 정보를 보려면 모든 페이지를 동시에 읽어야 한다.”

이는 큐비트 스핀(spin)의 상호 작용을 나타낸다. 두 스핀이 가리키는 방향은 알 수 없더라도(0 또는 1 사이) 서로 반대 방향을 향하고 있다는 것을 안다. 두 개의 스핀은 일단 얽히면 서로 얼마나 멀리 떨어지든(인공 위성까지의 거리만큼 떨어진다 해도) 다음에 측정할 때 이 상태가 유지된다.

오스트레일리아의 뉴사우스웨일스 대학 안드레 모렐로 교수는 “양자 시스템의 막대한 컴퓨팅 역량을 활용하기 위한 열쇠는 이처럼 얽힌 양자 상태에 접근하는 것”이라고 설명했다. 모렐로 교수는 “양자 컴퓨팅에서 얽힌 상태는 기존과는 전혀 다른 컴퓨터 코드를 나타낸다. 데스크톱 컴퓨터에서는 두 개의 비트가 값을 갖지 않으면서 상반되는 값을 갖도록 코딩할 방법이 없지만, 양자 컴퓨터에서는 가능하다. 큐비트가 많을수록 이처럼 얽힌 양자 코드가 확산되고 큐비트의 수에 따라 기하급수적으로 증가한다”고 덧붙였다.

아인슈타인이 “도깨비 같은 원격 작용”이라고 기술했던 이 현상을 실용적인 양자 컴퓨터에서 포착하기란 대단히 어렵다. 현실에서 얽힌 상태는 극도로 부서지기 쉽고 외부 세계의 간섭에 의해 손쉽게 손상되기 때문이다.

UNSW 연구팀은 두 개의 상호작용하는 큐비트를 가진 실리콘 칩을 생산, 얽힘과 관련된 엔지니어링에서 “중대한 이정표”를 달성했다. UNSW를 거쳐 현재는 코펜하겐 대학에 속한 이 연구의 공동 저자 매튜 브룸 박사는 “한 전자의 스핀이 위를 향하고 다른 스핀이 아래를 향하는 모습은 놀라운 장면”이라고 말했다.

두 개의 인원자로 구성된 큐비트와 하나의 인원자로 구성된 큐비트를 묘사한 삽화. 두 개의 큐비트는 실리콘 칩에서 서로 16나노미터 간격으로 배치된다. UNSW 과학자들은 이 두 개의 큐비트 간 상호작용을 제어해서 전자의 양자 스핀이 상호 연계되도록 하는 데 성공했다. 한 전자의 스핀이 위를 향하면 다른 스핀은 아래를 향한다.

브룸은 “양자 컴퓨팅 기술에 있어 중대한 이정표다. 이러한 형태의 스핀 상관관계는 양자 컴퓨터가 작동해서 복잡한 계산을 수행하기 위해 필요한 얽힘 상태로 가기 위한 전 단계”라고 말했다.

UNSW 교수이며 양자 계산 및 통신 기술 발전 센터(CQC2T)의 책임자인 미셸 시몬스가 이끄는 UNSW 연구팀은 단일 인원자를 실리콘의 정확한 위치에 배치하고, 이 인원자의 전자 스핀을 큐비트로 사용하는 방법을 사용해 큐비트를 생성한다.

이 방법은 극히 긴 완화 및 영위상화 시간(양자 관점에서 보면 극히 길지만 실제로는 약 30초)을 논증했다는 면에서 미래의 큐비트에 대한 밝은 전망을 제시했다.

2018년 올해의 오스트레일리아인 상을 수상한 시몬스는 “큐비트를 만들기 위해 실리콘에 인원자를 배치하면서 주사 프로브를 사용해 원자의 파동 함수를 직접 측정하고 이를 통해 칩에서의 정확한 물리적 위치를 알 수 있음을 입증했다. 전 세계에서 큐비트의 실제 위치를 정확히 볼 수 있는 팀은 우리가 유일하다”고 강조했다.

실리콘에 정확히 배치된 인원자로 만들어진 큐비트의 전자 파동 함수를 보여주는 주사 터널 현미경 이미지.

시몬스는 “우리 연구진의 경쟁 우위는 고품질 큐비트를 칩에서 원하는 곳에 배치하고 결과를 육안으로 확인한 다음 현상을 측정할 수 있다는 것이다. 근처에 다른 큐비트를 추가해서 두 개의 파동 함수가 어떻게 상호작용하는지 볼 수 있다. 이후 이렇게 만든 소자의 복제본을 만들 수 있다”고 설명했다.
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연구팀은 최근 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 발표한 연구에서 두 개의 큐비트(하나는 두 개의 인원자로, 하나는 하나의 인원자로 구성)를 실리콘 칩에 16나노미터 간격으로 배치했다.

브룸은 “칩에 패턴화된 전극을 사용해서 인접 큐비트 간의 상호작용을 제어해 전자의 양자 스핀이 연계되도록 할 수 있다”고 설명했다.

여러 큐비트 칩을 제작하기 위해 극복해야 했던 큰 과제는 큐비트가 상호작용을 하고 정보를 표시하도록 하기 위해 필요한 큐비트 간의 거리를 파악하는 일이었다. 상관관계 효과를 얻기 위한 이론상 추정 거리는 20나노미터 거리였지만 실험 결과는 16나노미터로 나왔다.

UNSW의 연구 공동 저자 샘 고먼은 “양자 세계에서 이는 매우 큰 차이”라면서 “또한 실험주의자로서 이론에 도전한다는 것은 즐거운 일”이라고 말했다.  editor@itworld.co.kr

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