광자학에 기초한 양자 컴퓨터는 전자에 기초한 양자 컴퓨터와 비교해 상대적으로 관건적인 우세를 갖고 있다. 이런 우세를 이용해 이익을 얻기 위해서 양자 계산 초창기 회사인 Xanadu가 클라우드에 광자 양자컴퓨터를 처음 공개했다.
전통적인 컴퓨터는 트랜지스터를 켜거나 끌 때 데이터를 0과 1로 변환하는데 양자컴퓨터는 양자 비트나 qubits를 사용한다. 양자물리라는 초현실적 성격 때문에 둘은 겹치는 상태가 될 수 있는데 그러한 상태서 1과 0의 역할을 동시에 할 수 있다. 이것은 본질적으로 매개 양자 비트가 동시에 두 개의 계산을 수행하도록 허락하는 것이다.
만약 양자 비트 두 개가 양자 기계로 연결된 것이거나 같이 엉켜 있으면 2^2 또는 4개 계산을 동시에 수행하는 데 도움이 된다. 양자 비트 3개가 2^3 또는 8개 계산을 하는 것도 마찬가지다. 원칙적으로 300개의 양자를 가진 양자컴퓨터 한 대는 우주에서 볼 수 있는 것보다 더 많은 양의 원자를 순식간에 계산할 수 있다.
IBM 、 Rigetti 、 Amazon 그리고 Microsoft를 비롯한 많은 회사는 이미 클라우드를 통해 양자컴퓨터를 공개했다. 이는 모두 초전도 회로 나 포획 이탈자에 기반한 양자 비트에 의존하고 있다.이 모든 방법의 단점은 이들이 모두 가장 높은 하늘에서보다 더 낮은 온도를 요구한다는 것이다. 열진동이 양자 비트를 파괴할 수 있기 때문이다. 이처럼 추운 온도에서 양자 비트를 보존하기 위해서 필요되는 값비싸고 육중한 시스템은 플랫폼을양이 많은 양자 비트로까지 폭을 넓히는데 큰 도전인 셈이다.
이에 비해 광자에 기초한 양자 비트에 의존하는 양자 컴퓨터는 원칙적으로 실온에서 작동할 수 있다. 또 기존 광섬유 기반의 전기통신 인프라에 손쉽게 통합할 수 있어 양자컴퓨터가 강력한 네트워크, 심지어 양자 인터넷으로 연결될 수 있도록 도와줄 수 있다. 이른바 타임 멀티플 렉시(time multiplexing) 아키텍처가 가세하면서 광자 양자 계산은 원칙적으로 수백만 개의 양자 비트로 확장할 수 있게 됐다.
9월 2일의 보도에 따르면 퀀텀 계산 기능을 활용하는데 도움을 주기 위해 캐나다 양자 기술 회사 Xanadu는 세계에서 처음으로 사용 할 수 있는 광자 양자 플랫폼을 공개했다. 이 플랫폼은 개발자가 8, 12, 빠른 24 양자 단위 기계에서 광자 양자처리 프로세서를 사용해 연산처리할 수 있도록 할 것이다.
Xanadu의 창업자이자 최고경영자(CEO)인 Christian Weedbrook에 따르면 이 회사는 6개월마다 클라우드 시스템의 양자 비트 수를 배로 늘릴 수 있다. Weedbrook은 "앞으로 몇 개월 동안 Xanadu는 광자 양자 계산 비전도를 공개할 것이라 했다. 이는 거의 '어떻게 빗나간 방식으로 수백만 개의 양자 비트로 확장할 수 있을까'라는 것에 대한 입문인 셈이다.
광자 양자 계산의 고전적인 방법, 선형 광학 양자 계산은 단일 광자에 기초한 양자 비트에 의존한다. 이런 방법은 반사경, 분속기, 시추기를 사용하여 광자를 조작하는 것이다. 그런 다음 단광자 검출기를 사용하여 이러한 장비가 하는 일의 결과를 읽는 것을 돕는다. Weedbrook은 "단 광주는 실험이 어려운 게 문제"라며 "통상 이를 소수의 광자에 한정한다"라고 말했다.
이에 비해 Xanadu의 방법은 연속변수 양자 계산(continuous variable quantum computing)이라 불리며 단광자 발생기를 사용하지 않는다. 반면 이 회사는 여러 개의 광자를 겹쳐 만든 이른바 '압축 상태(squeezed states)'에 의존하고 있다.
압축 태는 양자물리학의 핵심 원칙인 하이젠베르크 불확도 원리(Heisenbergs uncertainty principle)를 활용했다. 이 원리는 입자의 또 다른 특징(동량)을 측정하지 않고는 낮은 확실성을 보이지 않으면 정확하게 입자의 특징을 측정할 수 없는 것이다. 압축 상태는 이러한 절충을 이용하여 '압축'하거나 정변량 측정에 대한 불확실도를 줄이면서 연구자가 간과할 수 있는 또 다른 변수 측정의 불확실도를 증가시킨다. 이러한 개선의 확실성은 원칙적으로 Xanadu entangle에 많은 광자를 도울 수 있다.
Xanadu 마이크로칩으로 발사된 레이저 펄스 시퀀스는 마이크로 공명기와 결합해 압축 상태를 만들어낸다.분속기와 이상기로 구성된 네트워크로 빛이 흐를 경우 분광경과 이상기의 수행에 필요한 계산이다.광자는 칩에서 빼내 초전도 검출기에 들어가 광자 수를 계산해 산출한다.
Weedbroo은 Xanadu 이전까지는 이 같은 복잡한 광자 시스템을 완전 자동화하려는 사람이 없었기 때문에 실험실 과학자뿐 아니라 고급 코드를 만드는 사용자들에게도 필요했다고 말했다.
Xanadu는 이 시스템의 전류 제한이 이들이 사용하는 초전도 광자 계수기에서 비롯된다고 지적했다.이 카운터들은 초저온 온도가 절대 영도 이상 1도 이하로 요구된다.그러나 이 회사는 미래 탐지기에 초전도성이나 저온이 필요 없을 수도 있다고 지적했다.
Weedbrook은 과거 광자 양자 계산에 대한 비판은 잘못을 용인하고 오류를 바로잡을 능력이 부족했다는 점이라고 말했다.그는 "이런 상황이 바뀌고 있지만 사람들이 이 분야의 중요한 진전을 깨닫지 못하고 있는 것 같다.광자학은 지난 몇 년 동안만 중대한 진전이 있었다."특히 Xanadu의 연속변수 양자계산 전략은 초기의 광자법보다 오류를 바로잡는 데 더 복잡한 방책과 호환된다고 지적했다.
퀀텀 클라우드 외에도 IBM 퀀텀 컴퓨팅 Q 네트워크에 속한 Xanadu도 Github에서 다양한 오픈소스 도구를 제공하고 있다.스트로베리 필즈(Strawberry Fields)의 크로스 플랫폼인 파이썬(Python)이 양자광자 하드웨어에서 프로그램을 시뮬레이션하고 실행하는 데 사용하는 것과 양자기기 학습, 양자계산, 양자화학용 소프트웨어 라이브러리(sw)가 그것이다.
Xanadu의 파트너이자 아마존을 포함한 퀀텀 솔루션스랩은 이미 발표 전 회사의 퀀텀 클라우드를 테스트했다.Weedbrook에 따르면 발표 후 36시간 이내에 150명의 신청자가 쟈나듀 퀀텀윈에 접수됐다.그는 "반응이 아주 긍정적이다.개인 기여자가 아닌 양자연구 인력을 보유하는 기관을 우선 고려하고 있지만 이런 상황은 단기간에 달라질 수 있다."
어쨌든 "우리는 우리의 미래 비전의 토대를 만들고 있다: 양자 네트워크를 통한 글로벌 광자 양자 컴퓨터 어레이"라고 Weedbrook은 말했다.
원문출처：공식계정——IEEE电气电子工程师学会
