Qbit 구현 방식

 

 

Divincenzo는 양자 컴퓨터가 만족해야 할 기본사항을 다섯가지로 정리하였다.

 

1.     양자 상태를 Qbit로 구현 가능해야 함

2.     Qbit의 상태를 우리가 원하는 데로 초기화할 수 있어야 함

3.     양자 얽힘과 중첩이 (quantum decoherence) 계산 과정동안 유지가 되어야 함.

4.     Qbit의 상태를 변화시키는 양자 게이트(quantum gate)가 구현되어야 함

5.     특정상태에 대한 Qbit의 측정(관측)이 가능해야 함

 

양자통신이나 양자 컴퓨터에 대해서 잘 모르는 기자들이 기사를 써서 독자들을 오류에 빠지게 하는 경우가 종종 있다. 현재 기사에서 언급하는 양자 통신이란 용어는 실제로 양자 암호화로 대체해야 하며, 양자 컴퓨터는 기존의 컴퓨터를 대체하는 빠른 컴퓨터가 아니라는 사실을 명확히 해야 한다.

 

양자 컴퓨터는 고전적인 컴퓨터로 계산이 어려운 NP 문제들을 해결하고자 하며, 양자의 중첩상태를 이용할 수 있는 형태의 문제여야 한다. 또한 양자신호 처리 과정(양자 채널)에서 다수의 오류가 발생하기 때문에, 양자 오류정정 (Quantum error correction, QEC) 방법을 적용해야 한다. 양자 컴퓨터는 양자 중첩, 양자 얽힘 현상을 이용하며, 양자 알고리즘을 양자 게이트 회로를 사용하고, 양자 오류 정정을 거쳐서 신뢰성 있는 결과를 얻는 과정을 거친다.

양자 컴퓨터가 가능하려면 먼저, 어떠한 소자와 양자를 이용하여 Qbit의 상태를 구현할 수 있어야 한다. 사용하는 양자로는 전자(의 스핀), 원자(의 에너지 레벨), 광자(의 극성)의 세 종류를 고려하고 있으며, 이를 이용한 다양한 구현방식이 존재한다.

 

오늘날 대부분의 많은 양자 컴퓨터들은 극저온 방식으로 동작한다. 양자가 외부세계와 접촉하는 순간, 인간들의 의지가 개입되던 아니던, 환경과의 상호 작용에 의해서 양자 결풀림 (quantum de-coherency)이 시작된다. 그러한 접촉을 차단하기 위해서 양자들 주변 원자들의 움직임은 극히 작아야 하고, 그 갯수조차 작은 것이 좋기에 어떤 방식은 초진공상태를 요구한다. 

 

양자 컴퓨터의 개념은 이미 20세기 중반에 나왔지만, 최근에야 양자 컴퓨터 개발붐이 시작된 것은 이러한 여러 공학적/기술적 진보가 이뤄져서 구현 가능성이 조금이라도 보였기 때문일 것이다. 그러나, 현재가 적당한 시점인지, 혹은 향후 수십년이 지나야 비로소 가능성이 보일지, 현 단계에서 예측은 무척 어렵다. 그러나, 일단 개발 경쟁이 붙었고, 현재 돈이 넘쳐나는 상태라 양자 컴퓨터를 개발하는 벤쳐회사에 연구비를 대는 자본가들도 많으니 좀 더 두고볼 일이다.

 

양자 컴퓨터에 대해서 극단적인 낙관론과 극단적인 비관론이 상존하고 있다. 양자 하나에서 극명하게 보이는 파동적 특성이, 어느 정도의 규모를 이루는 순간, 외부와 접촉하는 순간, 그 특성이 사라지기에 그들을 제어하기가 쉽지 않기 때문이다. 그러나, 사실 반도체가 나온 초기 무렵에도 그러한 비관론은 있었다.

 

MOS transistor란 것이 wafer위에 두께 1nm 정도의 얇은 유리를 골고루 깔아야 한다. 1nm의 유리가 깨지지 않고 버틸수 있을까... 그 당시에도 이것은 현실 세상에서 불가능할 것이라고 예측한 많은 이들이 있었다. 또한, 내가 대학교 4학년때, 반도체를 전공하려다 신호처리 분야로 바꾼 계기도, 그 당시에는 1um 가 공정한계라서 더 이상 개발은 어려울 것이라는 전망이 팽배했기 때문이다. 오늘날 2nm 공정이 개발중인 시점에서 보면, 그 모든 비관론은 코메디처럼 보일지 모른다. quantum computer에 대한 낙관론자들이 흔히 하는 얘기들이다.  

 

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아래에 그 방법들을 간단히 기술해 본다. 그림이 많고, 내용은 별로 없으니 skip 하셔도 무방할 것이다. 

 

1.     Superconductor 방식: IBM, Google, Dwave, Rigetti, Alibaba, Intel, Quantum circuits, Oxford 등 가장 많은 회사에서 연구중인 방식이다. 동작을 위해서 100mK의 낮은 온도를 유지해야 하는 어려움이 있다. 2개의 초전도체 사이에 얇은 절연체를 끼운 조셉슨 소자를 이용한다. 절연체가 얇은 경우, 양자 턴널링 현상에 의해서 쿠퍼쌍(Cooper pair) 전자들이 그 둘 사이를 흐르며, 이 쿠퍼쌍이 양자정보를 유지하는 역할을 한다. 쿠퍼쌍의 상태는 외부에서 마이크로파를 조작하여 정렬한다.

 

2.     Ion trap 방식: Ion trap은 charged particle(atom)을 외부 전기장 혹은 자기장을 이용하여 trap 시킨 상태로 동작시키는 방식이다. IonQ, Alpine Quantum Technology, Honeywell 이라는 회사에서 사용하는 방식이다. 상온에서 동작이 가능하나 대개는 coherence를 오랜시간 유지하기 위하여 낮은 온도에서 동작하며, Coherence를 유지하는 시간이 긴 것이 장점이다. 상온 동작은 가능한 대신, 진공 상태를 유지해야 하는 어려움이 있다.

 

 

3.     Photonic 방식: PsiQUantum, Xanadu, Purdue, MIT 에서 연구중인 방식이다. 상온동작이 가능하고(실제로는 극저온에서 동작) 일반적인 실리콘칩을 사용하는 장점이 있지만, 아직은 미성숙된 기술이다. 그러나 작년과 올해에 NIST와 Xanadu 등 여러 벤쳐 회사들이 광자를 이용한 양자 컴퓨터로 quantum supremacy(양자 우월성)을 달성했다고 논문으로 발표하기도 하였다.  

 

4.     Neutral atom 방식: Ion trap에서는 charged particle을 사용함에 비해, 이 방식에서는 중성 입자를 레이저를 이용하여 trap한다는 점에서 차이가 있다. Atom Computing, PASQAL, QuEra등의 회사에서 개발중이며, 입자간 전자기 반발이 없기에 다차원 배열로 구성이 가능하다.

 

5.     반도체 양자점(spin tronics)방식: Intel, Silicon Quantum Computing에서 연구 중이며, 반도체에 quantum wall 을 만들어 반도체 양자점을 만들고 그곳에 전자를 주입해서 인공적인 원자들을 배치시키고 전자의 상태를 외부의 Microwave로 조절하는 방식이다. Cooling이 필요하고, 초기단계의 기술이며, 기존의 반도체 양산 기술을 활용할 수 있다는 장점이 있다.

 

 

6.     Topological 방식: 위상 물질(마요라나 페르미온)을 이용하여 Qbit를 구현하는 가장 최첨단 방식인데, 아직은 Microsoft에서 이론적으로만 연구되고 있는 상태이다.