연구자들은 '소음'을 개발한다

2023년 5월 25일

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작성자: Sarah CP Williams, 시카고 대학교

새로운 종류의 문제를 해결하겠다는 엄청난 약속에도 불구하고 오늘날의 양자 컴퓨터는 본질적으로 오류가 발생하기 쉽습니다. 예를 들어 온도, 압력 또는 자기장의 변화와 같은 주변 환경의 작은 교란은 큐비트라고 불리는 취약한 계산 빌딩 블록을 방해할 수 있습니다.

이제 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학(PME)의 연구원들은 양자 시스템 주변의 잡음을 지속적으로 모니터링하고 실시간으로 큐비트를 조정하여 오류를 최소화하는 새로운 방법을 개발했습니다.

사이언스(Science)에 설명된 이 접근 방식은 관중 큐비트(spectator qubit)에 의존합니다. 큐비트는 데이터를 저장하는 대신 외부 소음을 측정하는 유일한 목적으로 컴퓨터에 내장된 큐비트 집합입니다. 그런 관객 큐비트에 의해 수집된 정보는 중요한 데이터 처리 큐비트에서 잡음을 제거하는 데 사용될 수 있습니다.

지원 연구를 주도한 Hannes Bernien 교수는 새로운 시스템을 주변 소음을 지속적으로 모니터링하고 이를 상쇄하기 위해 반대 주파수를 방출하는 소음 제거 헤드폰에 비유합니다.

Bernien은 "이 접근 방식을 사용하면 데이터 큐비트의 품질을 매우 강력하게 향상시킬 수 있습니다."라고 말했습니다. "나는 이것이 양자 컴퓨팅과 양자 시뮬레이션의 맥락에서 매우 중요하다고 봅니다."

기존 양자 컴퓨터가 확장됨에 따라 잡음과 오류에 대한 문제도 커졌습니다. 문제는 두 가지입니다. 큐비트는 환경에 따라 쉽게 변경되며, 이로 인해 내부에 저장된 정보가 변경되고 오류율이 높아질 수 있습니다. 또한, 과학자가 큐비트에 노출된 노이즈를 측정하기 위해 큐비트를 측정하면 큐비트 상태가 붕괴되어 데이터가 손실됩니다.

Bernien은 "양자 시스템 내에서 오류를 수정하는 것은 매우 어렵고 어려운 작업입니다."라고 말했습니다.

이론 물리학자들은 이전에 필요한 데이터를 저장하지 않지만 양자 컴퓨터 내에 내장될 수 있는 큐비트 집합인 관중 큐비트를 사용하는 솔루션을 제안한 바 있습니다. 관중 큐비트는 환경의 변화를 추적하여 소음 제거 헤드폰에 포함된 마이크처럼 작동합니다. 물론 마이크는 음파만 감지하는 반면 제안된 관객 큐비트는 큐비트를 변경할 수 있는 모든 환경 교란에 반응합니다.

Bernien의 그룹은 이 이론적 개념이 그들이 선호하는 양자 컴퓨터인 중성 원자 양자 배열에서 잡음을 제거하는 데 사용될 수 있음을 입증하기 시작했습니다.

중성 원자 양자 프로세서에서는 Bernien이 개발을 도왔던 광학 핀셋이라는 레이저 빔을 사용하여 원자가 제자리에 매달려 있어 Breakthrough Prize Foundation이 수여하는 2023 New Horizons in Physics Prize와 같은 상을 받았습니다. 이러한 부유 원자의 대규모 배열에서 각각은 중첩 상태 내에서 정보를 저장하고 처리할 수 있는 큐비트 역할을 합니다.

2022년에 Bernien과 동료들은 루비듐과 세슘 원자를 모두 포함하는 하이브리드 원자 양자 프로세서를 만드는 능력을 처음으로 보고했습니다. 이제 그들은 루비듐 원자가 데이터 큐비트로 작동하고 세슘 원자가 관중 큐비트로 작동하도록 프로세서를 조정했습니다. 팀은 루비듐 원자로부터 실시간 데이터를 지속적으로 판독하고 그에 대한 응답으로 마이크로파 진동으로 세슘 원자를 조정하는 시스템을 설계했습니다.

Bernien은 시스템이 충분히 빠른지 확인하는 것이 과제라고 말했습니다. 루비듐 원자에 대한 모든 조정은 거의 즉각적으로 이루어져야 했습니다.