PHYS.ORG : 확장 가능한 양자 컴퓨터 핵심 요소 개발하기

양자 컴퓨터는 특정 작업에서 기존 컴퓨터의 기능을 훨씬 능가할 가능성이 있습니다. 그러나 그들이 실제 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있으려면 아직 갈 길이 멉니다. 

많은 응용 프로그램에는 수백만 개의 양자비트가 있는 양자 프로세서가 필요합니다. 오늘날의 프로토타입은 이러한 계산 단위 중 일부만 제공합니다.

“현재 개별 큐비트는 찬장 크기의 제어 장치에 여러 신호 라인을 통해 연결되어 있습니다. 큐비트 몇 개 정도까지는 여전히 작동합니다. 그

러나 수백만 큐비트를 칩에 배치하고 싶다면 더 이상 말이 안 되는 상황이 됩니다. 왜냐하면 양자 오류 정정에 그게 필요하기 때문이죠.”라고 취리히 연구센터(Forschungszentrum Jülich) 및 

RWTH Aachen 대학의 JARA 양자 정보 연구소의 Dr. Lars Schreiber는 말합니다.

어느 시점에서 신호 라인의 수는 체증을 유발하는 병목이 됩니다. 라인은 미세한 큐비트의 크기에 비해 너무 많은 공간을 차지합니다. 

그리고 양자 칩은 수백만 개의 입력과 출력을 가질 수 없습니다. Schreiber는 동료들과 함께 이 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 몇 년 동안 연구를 수행해 왔습니다.

그들의 전반적인 목표는 제어 전자 부품을 칩에 직접 통합하는 것입니다. 이 접근 방식은 실리콘과 게르마늄으로 만들어진 이른바 반도체 스핀 큐비트를 기반으로 합니다. 

이 유형의 큐비트는 비교적 작습니다. 제조 공정은 기존 실리콘 프로세서의 공정과 거의 일치합니다. 이는 매우 많은 큐비트를 구현하는 데 유리할 것으로 판단됩니다. 

그러나 먼저 몇 가지 근본적인 장벽을 극복해야 합니다.

“입자의 근접성에 의해 발생하는 자연적인 얽힘은 약 100나노미터의 매우 작은 범위로 제한됩니다. 현재는 큐비트를 결합하려면 큐비트를 서로 매우 가깝게 배치해야 합니다. 

우리가 설치하고 싶은 추가적인 전자 제어 장치를 설치할 공간이 없는 거죠.”라고 Schreiber는 말합니다.

큐비트를 구분하기 위해 JARA 양자 정보 연구소(IQI)는 양자 셔틀에 대한 아이디어를 내놓았습니다. 이 특별한 구성 요소는 더 먼 거리에 있는 큐비트 간에 양자 정보를 교환하는 데 도움이 됩니다. 

연구원들은 5년 동안 “양자 버스”에 대해 연구해 왔으며 이미 10개 이상의 특허를 출원했습니다. 이 연구는 유럽 QuantERA 컨소시엄 Si-QuBus의 일부로 시작되었으며 

현재 산업 파트너와 함께 연방 교육 연구부(BMBF)의 국가 프로젝트 QUASAR에서 계속 진행되고 있습니다.

“한 큐비트에서 다음 큐비트로 약 10마이크로미터를 연결해야 합니다. 이론에 따르면 이러한 아키텍처로 수백만 큐비트를 실현할 수 있습니다. 

우리는 최근 취리히 연구센터의 Central Institute for Engineering, Electronics and Analytics의 회로 엔지니어와 협력하여 이를 예측했습니다.”라고 IQI 연구소 소장인 Hendrik Bluhm 교수가 설명합니다. 

TU Delft와 Intel의 연구원들도 이 같은 결론에 도달했습니다.

Lars Schreiber와 그의 팀은 이제 중요한 단계를 달성했습니다. 그들은 큰 오차 없이 560나노미터의 거리에 걸쳐 전자를 5000번 운반하는 데 성공했습니다. 이것은 2.8밀리미터의 거리에 해당합니다.

결과는 npj Quantum Information에 게재됐습니다.

한 가지 필수 개선 사항은 전자가 4개의 간단한 제어 신호를 통해 구동된다는 점입니다. 이는 이전 접근 방식과 달리 장거리에서 더 복잡해지지 않습니다. 

그렇지 않으면 너무 많은 공간을 차지하거나 칩에 전혀 통합할 수 없는 광범위한 제어 전자 장치가 필요하기 때문에 이것은 중요한 문제입니다.

이 성과는 전자를 수송하는 새로운 방법을 기반으로 합니다. “지금까지 사람들은 경로상의 개별 교란을 중심으로 전자를 조종하려고 시도했습니다. 

아니면 일련의 소위 양자점을 만들어 전자가 이 점 중 하나에서 다른 점으로 이동하도록 했죠. 두 가지 접근 방식 모두 정확한 신호 조정이 필요하고, 

결과적으로 제어 전자 장치가 너무 복잡해집니다.”라고 Lars Schreiber는 설명합니다. “반대로, 우리는 전자가 단순히 다양한 간섭 소스를 탐색하는 잠재적인 파동을 생성합니다. 

이러한 균일한 파동에는 몇 가지 제어 신호로도 충분합니다. 4개의 사인파 펄스만 있으면 되거든요.”

다음 단계로, 물리학자들은 이제 전자스핀에 인코딩된 큐비트 정보가 운송 중에 손실되지 않는다는 것을 보여주고 싶어 합니다. 

이론적 계산은 이미 특정 속도 범위의 실리콘에서 이것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 

따라서 양자 버스는 수백만 큐비트의 기초 역할도 할 수 있는 확장 가능한 양자 컴퓨터 아키텍처로 가는 길을 열어줍니다.

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상세내용 확인 링크[출처]   

 -  https://phys.org/news/2022-09-key-element-scalable-quantum.html

 -  Inga Seidler et al, Conveyor-mode single-electron shuttling in Si/SiGe for a scalable quantum computing architecture, npj Quantum Information (2022).

   DOI: 10.1038/s41534-022-00615-2