옥스퍼드 대학교 과학자들은 최근 이온트랩 양자컴퓨터 연구 방면에서 새로운 진전을이루었는데 연구결과 논문이 “고보진 혼합 원소류 코크스의 기준 테스트”라는 제목으로 이번 호 <물리논평통신>에 발표됐다.
최근 세계 연구진들은 이온트랩 양자컴퓨터를 만들어 보고 잡힌 이온으로 얽힌 양자단위를 대체하여 고급 계산을 수행해 왔으며 이 컴퓨터들은 실제 응용된 양자계산시스템 중 가장 희망적인 하나로 입증됐다.
확장 가능한 이온트랩 양자컴퓨터를 개발하기 위해 최근 칼슘과 스트론튬이라는 서로 다른 두 개의 원자 사이에 2개의 양자단위(子位)를 가진 지게이트를 구현한 옥스퍼드대 연구진은 단일 레이저만을 필요로 하는 문 메커니즘을 사용하고, 더 적은 레이저를 통해 높은 진도를 내는 논리 게이트를 통해 두 개의 원자 종 간에 양자 논리 게이트를 실행하는 데 필요한 레이저 수를 절반으로 줄이는 쾌거를 이뤘다.
이온 벡터 컴퓨터의 가장 큰 도전 중 하나는 확장성, 즉 몇 개의 퀀텀 셀에서 만족스러운 결과를 얻는 방법으로 수천 개에서 백만 개의 퀀텀 셀까지 응용할 수 있는 방법이다. 새로운 양자 비트를 양자 계산 시스템에 추가하면 성능이 빠르게 저하되는 것이 일반적인데 그 원인은 새로운 오류를 도입하여 단일 양자 비트와의 교제를 더욱 어렵게 하는 동시에 다른 양자 비트에도 영향을 주지 않기 때문이다.
이를 극복하기 위해 옥스퍼드대 연구진은 모듈화와 광네트워크라는 두 가지 방법을 사용했다. 본질 상에서 모듈화의 목적은 이온을 각자 하나의 이온 벡터와 진공시스템에 위치하게 하는 것이고 광네트워크는 이러한 이온 벡터와 진공시스템을 광섬유로만 연결시킨다.
이런 방법은 양자 단위 간의 협잡을 제한하고 필요한 만큼 연구자가 통제할 수 있는 교호만 유지함으로써 잘 작동하는 시스템이 결정되면 새로운 시스템에 더 많은 시스템을 추가할 수 있다.
연구진은 이러한 방법 내지는 부동한 종류의 이온으로 확장이 가능한 기타 전략아 아주 유용하다고 밝혔다. 우선 부동한 이온은 부동한 장단점이 존재한다. 예를 들어 한가지 이온 물종을 사용한다고 가정하면 그것은 아주 훌륭한 하나의 저장 및 논리 이온이다. 이것은 그것이 많은 정보를 저장할 수 있고 이온 물종을 사용하여 계산을 하는 과정에서 아주 작은 오차를 생성할 수 있다는 것을 보여준다. 또한 기타 물종이 광자와 결합할 때 더욱 빠르게 진행될 수 있다. 만약 두가지 부동한 물질이 존재한다면 계산하는 광정에서 제2의 물질로 이온을 냉각하고 이로부터 가열문제를 해결 할 수 있다.
연구팀은 지난 한 연구에서 서로 다른 칼슘 동위원소 사이에 두 개의 양자게이트를 성공적으로 진행했다. 그러나 전혀 다른 원자끼리 이런 문을 구현하는 것이 더 유용할 수 있는데 이는 원소별로 매우 다른 특성을 가지고 있고 다른 약진 빈도를 보이기 때문이다.
그 결과 레이저 기술을 사용하여 한가지 원소에 적용할 때 기타 원소들은 완전히 영향을 받지 않게 된다. 하지만 동시에 이 두개 원소도 부동한 질량을 보유할 수 있기에 그들의 운동을 제어하는 것은 생각보다 복잡하다.
연구진은 일을 하는 과정에서 하나의 레이저로 두가지 부동한 칼시움의 동위원소에 작동하였을 때 대다수의 약진 빈도가 여전히 부동한 동위원소에서 몹시 가까운 것으로 나타났다고 밝혔다. 또한 그들은 칼슘과 함께 쓰기에 가장 적합한 스트론튬의 약진 빈도 차이가 크지 않아 동위원소에 적용되는 동일한 원소를 사용할 수 있다는 점에 주목했다고 밝혔다.
칼슘과 스트론튬의 약진 빈도 사이의 유사성은 현재의 문제를 크게 단순화시켜 연구자들이 다른 혼합 원소 문을 만들 때보다 높은 보진도를 얻을 수 있게 했다. 하이브리드 종을 성공적으로 구현한 것은 대규모 양자 계산의 중요한 한 걸음이면서 두 가지 서로 다른 원소의 특성을 모두 활용할 수 있는 것이다.
연구진은 이 같은 속박된 이온이 문 뒤의 기본 사상은 이온운동을 통해 이온의 양자위 상태 사이에 연관이 되어 서로를 배척할 때 상호작용이 밀접하게 결합된다는 것이라고 설명했다. 레이저는 이온화 운동을 어느 한 방향으로 밀어내는 것과 같은 방식으로 결합할 수 있다. 예를 들어 | 1>의 상태로 이온을 추진하되 상태 | 0>에서 이온을 당기는 것이다. 이에 따라 일부 양자상태 조합은 공동운동은 취소되고 다른 운동에는 보강돼 이를 이용해 매달릴 수 있게 된다"고 설명했다.
예전에 혼합원소인 두 량자가 문에 얽힌 연구는 부동한 레이저로 부동한 원소를 조종하는 방식으로 진행되었다. 이를 위해 두 레이저기계의 양호한 동시성과 표준성을 확보하여야 한다. 이것은 두가지 부동한 이온이 비슷한 작용을 구비하게끔 하기 위해서이다.
연구팀은 단일 레이저만 사용한다는 것은 어떤 특정한 방식으로든 동기화할 필요가 없고 교정에 사용할 수 있는 자유도가 적다는 것을 의미하며 두 종을 유사한 방식으로 결합할 수 있도록 위치를 정해야 한다고 밝혔다. 혼합종의 결정체는 특정한 외부효과(예를 들어 산란전장)에 더욱 민감하기 때문에 연구원들은 반드시 단일 종을 시행할 때보다 교정과정에서 더욱 신중해야 한다.
연구진은 “문은 한 쌍의 레이저빔(약 402nm)을 사용해 만들어졌으며 이 레이저빔은 칼슘과 스트론튬의 운동을 동시에 결합하고 격발시킬 수 있다”고 설명했다. 또한 “우리는 세 가지 다른 방법을 사용하여 출력 성능을 표징한다. 즉 단일 도어 이후의 출력 상태를 측정하여 이상적인 출력과 비교하는 것, 일련의 알고리즘과 유사한 도어 열과 비교 사이의 오차 폭, 그리고 운행서열, 이런 서열은 부동한 종류의 잘못을 늘이는 것으로 그 근원의 성질을 나타낸다.”고 하였다.
연구진은 문 성능을 평가하기 위해 일부 상태층석상, 무작위 기준시험, 그리드설치층석상 등 세 가지 방법을 사용했다. 일부 상태층 프로파일에는 단일 게이트를 구현해 출력 상태를 측정하는 것도 포함된다.
“이것이 가장 쉽고 가장 자주 사용하는 방법이다.” 평균적으로 천 개의 문 중 두 개의 문에서 오류가 발생하기 때문에 여러 번 조작을 해야 문 오류를 정확하게 추정할 수 있고 문과 문 사이에 오류가 얼마나 발생했는지를 구분하기 어렵다. 그리하여 사용하는 두 번째 방법과 비교하여 최종 상태를 읽음으로써 얼마나 구체적인지를 얻을 수 있다.
두 번째 평가 전략은 무작위 기준 테스트로 여러 개의 연속 도어가 필요하다. 서로 다른 유형의 도어를 삽입하여 연속 입력 상태를 변경한 다음 각 도어에 적용한 뒤 이 랜덤 시퀀스와 랜덤 게이트 사이에 간헐적으로 도입된 시퀀스 사이의 오차를 비교했다.
랜덤화된 기준 테스트는 측정 오류가 더 적기 때문에 최종 상태를 읽기 전에 수많은 게이트 작업을 수행했고 그 결과 실제 알고리즘의 예상 성능과 더 비교가 된다고 하였다.
문 설치층 촬영 기술은 그 문을 평가하는 마지막 방법으로 도어를 양화하고 표징할 때 발생하는 오차를 재는 것이다. 이를 위하여 특정 유형의 잘못 영향 된 서열을 강화하고 매 한가지 유형의 실수 총량을 줄일 수 있다. 이러한 기술을 사용하여 획득한 정보는 더욱 효과적인 잘못을 교정하는 방안을 개발하는데 아주 유용하다.
출처: 양자인지
