지난해 말 거대 기술 기업 IBM은 양자 컴퓨팅의 이정표처럼 들릴 수 있는 것을 발표했습니다. 바로 1,000개 이상의 양자 비트 또는 큐비트를 갖춘 Condor라고 불리는 최초의 칩입니다. 회사가 100큐비트가 넘는 최초의 칩인 Eagle을 공개한 지 불과 XNUMX년이 지났다는 점을 고려하면, 이 분야는 앞으로 경주하고 있는 것처럼 보였습니다. 오늘날 가장 강력한 기존 슈퍼컴퓨터의 범위를 넘어서는 유용한 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 만들려면 이를 수만 또는 수십만 큐비트까지 확장해야 합니다. 하지만 그것은 확실히 엔지니어링의 문제일 뿐입니다. 그렇죠?

반드시 그런 것은 아닙니다. 확장의 어려움이 너무 커서 일부 연구자들은 IBM이나 Google 등이 사용하는 마이크로전자공학과는 완전히 다른 하드웨어가 필요할 것이라고 생각합니다. Condor와 Google의 Sycamore 칩에 있는 큐비트는 초전도 물질의 루프로 만들어집니다. 이러한 초전도 큐비트는 지금까지 본격적인 양자 컴퓨팅을 향한 경쟁에서 토끼였습니다. 하지만 이제 뒤에서 거북이가 다가오고 있습니다. 개별 원자로 만들어진 큐비트입니다.

최근의 발전으로 인해 이러한 "중성 원자 큐비트"가 외부인에서 주요 경쟁자로 변모했습니다.

중성원자 양자컴퓨팅 상용화를 위해 경쟁하고 있는 기업이 최소 5개에 달하는 매디슨 위스콘신 대학교의 물리학자 마크 새프먼(Mark Saffman)은 “지난 2~3년은 이전 어느 시기보다 더 빠른 발전을 보였다”고 말했다.

일반 컴퓨터의 비트와 마찬가지로 큐비트는 1과 0이라는 이진 정보를 인코딩합니다. 그러나 비트는 항상 한 상태 또는 다른 상태에 있는 반면, 큐비트의 정보는 두 가능성에 가중치를 부여하는 소위 "중첩"에서 불확실한 상태로 남아 있을 수 있습니다. 계산을 수행하기 위해 큐비트는 양자 얽힘이라는 현상을 사용하여 연결되며, 이는 가능한 상태를 상호 의존적으로 만듭니다. 특정 양자 알고리즘은 서로 다른 큐비트 세트 간의 일련의 얽힘을 요구할 수 있으며, 측정이 이루어질 때 계산이 끝날 때 답이 판독되어 각 중첩이 명확한 1 또는 0으로 축소됩니다.

이런 방식으로 정보를 인코딩하기 위해 중성 원자의 양자 상태를 사용한다는 아이디어는 제안 된 2000년대 초반 하버드 물리학자가 미하일 루킨 동료들과 그리고 또한 님이 이끄는 그룹에 의해 이반 도이치 뉴멕시코 대학교의. 오랫동안 광범위한 연구 커뮤니티에서는 중성 원자 양자 컴퓨팅이 원칙적으로는 훌륭한 아이디어이지만 실제로는 "잘 작동하지 않는다"는 데 동의했다고 Lukin은 말했습니다.

“그러나 20년이 지난 후에도 다른 접근 방식은 거래를 성사시키지 못했습니다.”라고 Saffman은 말했습니다. "그리고 중성 원자를 작동시키는 데 필요한 기술 세트와 기술은 매우 유망해 보이는 지점까지 점차 발전해 왔습니다."

하버드에 있는 루킨의 연구실은 이러한 길을 선도해 온 사람들 중 하나입니다. 12월에는 그와 그의 동료들이 신고 그들은 수백 개의 중성 원자 큐비트로 프로그래밍 가능한 양자 회로를 만들고 이를 통해 양자 계산과 오류 수정을 수행했다고 합니다. 그리고 이번 달에는 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 팀이 신고 그들은 6,100개의 원자 큐비트 배열을 만들었다고 합니다. 이러한 결과로 인해 이 접근 방식으로 전환하는 사례가 점점 늘어나고 있습니다.

"10년 전에는 양자 컴퓨팅의 미래에 대한 위험을 감수하고 있었다면 이러한 [중성 원자] 방법을 포함하지 않았을 것입니다."라고 말했습니다. 앤드류 스테인, 옥스포드 대학의 양자 정보 이론가. “그건 실수였을 거예요.”

큐비트 전투

큐비트 유형 간의 경쟁에서 중요한 문제는 각 큐비트 종류가 무작위(예: 열) 변동에 의해 변경되기 전에 중첩을 유지할 수 있는 기간입니다. IBM 및 Google과 같은 초전도 큐비트의 경우 이 "일관성 시간"은 일반적으로 기껏해야 1밀리초 정도입니다. 양자 계산의 모든 단계는 해당 시간 내에 이루어져야 합니다.

개별 원자 상태에서 정보를 인코딩하는 것의 한 가지 장점은 일관성 시간이 일반적으로 훨씬 길다는 것입니다. 더욱이 초전도 회로와 달리 특정 유형의 원자는 모두 동일하므로 미묘하게 다른 양자 상태를 입력하고 조작하는 데 맞춤형 제어 시스템이 필요하지 않습니다.

그리고 초전도 큐비트를 양자 회로에 연결하는 데 사용되는 배선은 시스템이 확장됨에 따라 끔찍할 정도로 복잡해질 수 있지만 원자의 경우 배선이 필요하지 않습니다. 모든 얽힘은 레이저 광을 사용하여 수행됩니다.

이 이점은 처음에는 어려움을 겪었습니다. 복잡한 마이크로 전자 회로와 와이어를 조각하기 위한 기술이 잘 개발되어 있으며, IBM과 Google이 처음에 초전도 큐비트에 투자한 한 가지 가능한 이유는 이것이 최고였기 때문이 아니라 그러한 회사에 익숙한 종류의 회로가 필요했기 때문이라고 말했습니다. 스튜어트 아담스, 영국 Durham University의 물리학자이자 중성 원자 양자 컴퓨팅을 연구하고 있습니다. “레이저 기반 원자 광학은 그들에게 전혀 낯설게 보였습니다. 모든 엔지니어링은 완전히 다릅니다.”

이온이라고 알려진 전기적으로 충전된 원자로 만들어진 큐비트는 빛으로도 제어할 수 있으며, 이온은 오랫동안 중성 원자보다 더 나은 큐비트 후보로 간주되어 왔습니다. 전하 때문에 이온은 전기장에 갇히기가 비교적 쉽습니다. 연구원들은 레이저 빔이 이온을 서로 다른 에너지 상태로 전환하여 정보를 조작하는 동안 초저온에서 작은 진공 공동에 이온을 부유시켜 이온 트랩을 만들었습니다. 수십 개의 큐비트를 갖춘 이온트랩 양자컴퓨터가 시연됐고, 여러 스타트업이 상용화를 위한 기술을 개발 중이다. Saffman은 “지금까지 충실도, 제어 및 일관성 측면에서 가장 높은 성능을 보이는 시스템은 이온을 트랩하는 것이었습니다.”라고 말했습니다.

붙잡을 전하가 없기 때문에 중성 원자를 가두는 것이 더 어렵습니다. 대신 원자는 광학 핀셋이라고 불리는 레이저 빔에 의해 생성된 강렬한 빛의 장 내에 고정됩니다. 원자는 일반적으로 빛이 가장 강한 곳에 위치하는 것을 선호합니다.

그리고 이온에는 문제가 있습니다. 이온은 모두 동일한 부호의 전하를 가지고 있습니다. 이는 큐비트가 서로 반발한다는 것을 의미합니다. 동일한 작은 공간에 많은 양의 이온을 가두는 것은 이온이 많을수록 더 어려워집니다. 중성 원자에는 그런 긴장감이 없습니다. 연구원들은 이것이 중성 원자 큐비트를 훨씬 더 확장 가능하게 만든다고 말합니다.

게다가 포획된 이온들이 일렬로 배열되어 있다(혹은 최근에는 순환하는 “경마장"). 이 구성으로 인해 하나의 이온 큐비트를 다른 이온 큐비트(예: 행을 따라 20개 위치)와 얽히게 하는 것이 어렵습니다. "이온 트랩은 본질적으로 XNUMX차원적입니다"라고 Adams는 말했습니다. "그것들을 일렬로 배열해야 하는데, 그런 식으로 어떻게 XNUMX큐비트에 도달하는지 보기가 매우 어렵습니다."

중성 원자 배열은 1,000차원 격자가 될 수 있으며 이는 확장하기가 훨씬 쉽습니다. Saffman은 “동일한 시스템에 많은 것을 넣을 수 있으며 원하지 않을 때는 상호 작용하지 않습니다.”라고 말했습니다. 그의 그룹과 다른 사람들은 이런 방식으로 XNUMX개 이상의 중성 원자를 가두었습니다. “우리는 센티미터 크기의 장치에 수만 또는 수십만 개를 담을 수 있다고 믿습니다.”라고 그는 말했습니다.

실제로 최근 연구에서 Caltech 팀은 약 6,100개의 중성 세슘 원자로 구성된 광학 핀셋 배열을 만들었지만 아직 양자 계산을 수행하지는 않았습니다. 이 큐비트는 또한 지금까지 이 큐비트 유형에 대한 기록인 무려 12.6초의 일관성 시간을 가졌습니다.

리드베리 봉쇄

두 개 이상의 큐비트가 얽히려면 서로 상호 작용해야 합니다. 중성 원자는 소위 반 데르 발스 힘(van der Waals force)을 통해 서로의 존재를 "느끼게" 되는데, 이는 한 원자가 근처에 있는 다른 원자의 전자 구름의 변동에 반응하는 방식에서 발생합니다. 그러나 이러한 미약한 힘은 원자들이 서로 매우 가까이 있을 때만 느껴집니다. 라이트 필드를 사용하여 일반 원자를 필요한 정밀도로 조작하는 것은 불가능합니다.

Lukin과 그의 동료들이 2000년에 원래 제안에서 지적했듯이 원자 자체의 크기를 늘리면 상호 작용 거리가 극적으로 늘어날 수 있습니다. 전자가 더 많은 에너지를 가질수록 원자핵에서 더 멀리 이동하는 경향이 있습니다. 레이저를 사용하여 전자를 일반적으로 원자에서 발견되는 에너지 상태보다 훨씬 더 큰 에너지 상태(1880년대에 원자가 개별 파장에서 빛을 방출하는 방식을 연구한 스웨덴 물리학자 Johannes Rydberg의 이름을 따서 리드베리 상태라고 함)로 펌핑하면 전자는 평소보다 핵에서 수천 배 더 멀리 돌아다닐 수 있습니다.

이러한 크기 증가로 수 마이크로미터 떨어져 있는 두 개의 원자가 상호 작용할 수 있습니다. 이는 광학 트랩에서 완벽하게 가능합니다.

양자 알고리즘을 구현하기 위해 연구진은 먼저 레이저를 사용하여 레벨 사이에서 전자를 전환함으로써 한 쌍의 원자 에너지 레벨로 양자 정보를 인코딩합니다. 그런 다음 원자 사이의 Rydberg 상호 작용을 켜서 원자 상태를 얽히게 합니다. 주어진 원자는 전자가 두 가지 에너지 준위 중 어느 수준에 있는지에 따라 리드버그 상태로 여기될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 이들 중 하나만이 여기 레이저의 주파수와 공명할 수 있는 올바른 에너지에 위치합니다. 그리고 원자가 현재 다른 원자와 상호작용하고 있다면, 이 여기 주파수는 약간 이동하여 전자가 빛과 공명하지 않고 점프할 수 없게 됩니다. 이는 상호 작용하는 한 쌍의 원자 중 하나만이 언제든지 Rydberg 상태를 유지할 수 있음을 의미합니다. 그들의 양자 상태는 서로 연관되어 있습니다. 즉, 얽혀 있습니다. 이것이 소위 Rydberg 봉쇄입니다. 제안 된 2001년 Lukin과 동료들이 Rydberg 원자 큐비트를 얽히게 하는 방법은 전부 아니면 전무한 효과입니다. Rydberg 봉쇄가 있거나 없거나 둘 중 하나입니다. "Rydberg 봉쇄는 원자 간의 상호 작용을 디지털화합니다"라고 Lukin은 말했습니다.

계산이 끝나면 레이저는 원자의 상태를 판독합니다. 원자가 조명과 공진하는 상태에 있으면 빛이 산란되지만, 다른 상태에 있으면 산란이 없습니다.

2004년 코네티컷 대학의 한 팀은 시연 루비듐 원자 사이의 리드베리(Rydberg) 봉쇄로 절대 영도보다 100마이크로켈빈 높은 온도에 갇혀 냉각되었습니다. 그들은 레이저를 사용하여 원자의 열 에너지를 "흡입"하여 원자를 냉각시켰습니다. 이 접근 방식은 초전도 큐비트와 달리 중성 원자에는 극저온 냉각이나 번거로운 냉매가 필요하지 않음을 의미합니다. 따라서 이러한 시스템은 매우 컴팩트하게 제작될 수 있습니다. "장치 전체는 실온에 있습니다"라고 Saffman은 말했습니다. "이 초저온 원자에서 XNUMXcm 떨어진 곳에 실온 창이 있습니다."

2010년 Saffman과 그의 동료들 신고 첫 번째 논리 게이트(하나 이상의 이진 입력 신호가 특정 이진 출력을 생성하는 컴퓨터의 기본 요소)는 Rydberg 봉쇄를 사용하여 두 개의 원자로 만들어졌습니다. 그리고 결정적으로 2016년에 프랑스와 한국의 Lukin 팀과 연구 그룹은 모두 독립하여 알아 냈어 방법 많은 중성 원자를 로드 광학 트랩 배열로 만들어 마음대로 움직일 수 있습니다. “이 혁신은 현장에 새로운 활력을 불어넣었습니다.”라고 말했습니다. 스테판 뒤르 독일 Garching에 있는 막스 플랑크 양자 광학 연구소(Max Planck Institute of Quantum Optics)는 빛 기반 양자 정보 처리 실험을 위해 Rydberg 원자를 사용합니다.

지금까지의 연구 중 대부분은 루비듐과 세슘 원자를 사용했지만 물리학자는 제프 톰슨 프린스턴 대학에서는 일관성 시간이 훨씬 더 긴 스트론튬 및 이테르븀과 같은 금속 원자의 핵 스핀 상태 정보를 인코딩하는 것을 선호합니다. 지난 10월 Thompson과 동료들은 신고 이러한 시스템으로 만들어진 2큐비트 논리 게이트.

그리고 Rydberg 봉쇄는 고독한 원자 사이에 있을 필요는 없습니다. 지난 여름, Adams와 그의 동료들은 보여 그들은 원자와 갇힌 분자 사이에 리드버그 봉쇄를 만들 수 있었는데, 이는 광학 핀셋을 사용하여 세슘 원자를 루비듐 원자 옆으로 끌어당겨 인위적으로 만든 것입니다. 하이브리드 원자-분자 시스템의 장점은 원자와 분자의 에너지가 매우 다르기 때문에 다른 것에 영향을 주지 않고 하나를 더 쉽게 조작할 수 있다는 것입니다. 게다가 분자 큐비트는 일관성 시간이 매우 길 수 있습니다. Adams는 이러한 하이브리드 시스템이 전체 원자 시스템보다 최소 10년 이상 뒤떨어져 있으며 이러한 두 큐비트의 얽힘은 아직 달성되지 않았다고 강조합니다. Thompson은 "하이브리드 시스템은 정말 어렵지만 언젠가는 그렇게 해야 할 것"이라고 말했습니다.

충실도가 높은 큐비트

완벽한 큐비트는 없습니다. 모두 오류가 발생할 수 있습니다. 그리고 이것이 감지되지 않고 수정되지 않으면 계산 결과가 뒤섞입니다.

그러나 모든 양자 컴퓨팅의 큰 장애물은 알고리즘이 단순히 복사본을 만들어 비트의 상태를 추적하는 기존 컴퓨터와는 달리 오류를 식별하고 수정할 수 없다는 것입니다. 양자 컴퓨팅의 핵심은 최종 결과가 판독될 때까지 큐비트의 상태가 결정되지 않은 상태로 유지된다는 것입니다. 해당 지점 이전의 상태를 측정하려고 하면 계산이 종료됩니다. 그렇다면 우리가 모니터링할 수도 없는 오류로부터 큐비트를 어떻게 보호할 수 있을까요?

한 가지 대답은 단일 "논리적 큐비트"를 구성하는 많은 물리적 큐비트에 정보를 분산시켜 그 중 하나의 오류가 집합적으로 인코딩하는 정보를 손상시키지 않도록 하는 것입니다. 이는 각 논리적 큐비트에 필요한 물리적 큐비트 수가 너무 많지 않은 경우에만 실용적입니다. 해당 오버헤드는 어떤 오류 수정 알고리즘이 사용되는지에 따라 부분적으로 달라집니다.

오류 수정 논리 큐비트는 초전도 및 이온 포획 큐비트를 통해 시연되었지만 최근까지 중성 원자로 만들 수 있는지는 확실하지 않았습니다. 지난 48월 하버드 팀이 수백 개의 갇힌 루비듐 원자 배열을 공개하고 각각 1~0개의 물리적 원자로 구성된 XNUMX개의 논리적 큐비트에서 알고리즘을 실행하면서 상황이 바뀌었습니다. 연구원들은 이 시스템을 사용하여 제어된 NOT 게이트라고 하는 간단한 논리 연산을 수행했습니다. 여기서 큐비트의 XNUMX과 XNUMX 상태는 두 번째 "제어" 큐비트의 상태에 따라 반전되거나 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 계산을 수행하기 위해 연구원들은 원자 배열, 리드버그 봉쇄를 사용하여 특정 원자를 끌고 얽히는 상호 작용 영역(또는 "게이트 영역"), 판독 영역 등 트래핑 챔버의 세 가지 영역 사이에서 원자를 이동했습니다. . Adams는 "Rydberg 시스템은 큐비트를 섞고 누가 누구와 상호 작용하는지 결정할 수 있는 모든 기능을 제공하므로 초전도 큐비트에는 없는 유연성을 제공하기 때문에 모든 것이 가능하다고 말했습니다."라고 Adams는 말했습니다.

하버드 팀은 일부 간단한 논리 큐비트 알고리즘에 대한 오류 수정 기술을 시연했지만 48개의 논리 큐비트를 사용하는 가장 큰 알고리즘의 경우 오류 감지에만 성공했습니다. Thompson에 따르면 후자의 실험에서는 "오류가 있는 측정 결과를 우선적으로 거부할 수 있으므로 오류가 더 적은 결과의 하위 집합을 식별할 수 있음"이 나타났습니다. 이 접근 방식을 사후 선택이라고 하며, 양자 오류 수정에 역할을 할 수 있지만 그 자체로 문제를 해결하지는 않습니다.

Rydberg 원자는 새로운 오류 수정 코드에 적합할 수 있습니다. 하버드 연구에서 사용된 표면 코드(surface code)는 “매우 인기가 있지만 매우 비효율적”이라고 Saffman은 말했습니다. 하나의 논리적 큐비트를 만들기 위해서는 많은 물리적 큐비트가 필요한 경향이 있습니다. 더 효율적으로 제안된 다른 오류 수정 코드에는 가장 가까운 이웃 쌍뿐만 아니라 큐비트 간의 장거리 상호 작용이 필요합니다. 중성 원자 양자 컴퓨팅 실무자들은 장거리 Rydberg 상호 작용이 작업에 달려 있다고 생각합니다. Lukin은 "향후 2~3년에 걸친 실험을 통해 간접비가 사람들이 생각했던 것만큼 나쁘지 않을 것이라는 사실이 밝혀질 것이라고 매우 낙관하고 있습니다"라고 말했습니다.

아직 해야 할 일이 더 남아 있지만 Steane은 하버드 연구를 "실험실에서 오류 수정 프로토콜이 실현되는 정도에 있어서 한 단계 변화"라고 생각합니다.

스핀오프

이와 같은 발전으로 Rydberg-atom 큐비트는 경쟁사와도 경쟁하게 되었습니다. Steane은 "고충실도 게이트, 다수의 큐비트, 고정확도 측정 및 유연한 연결의 조합을 통해 리드버그 원자 어레이가 초전도 및 이온 트랩 큐비트의 진정한 경쟁자로 간주될 수 있습니다."라고 말했습니다.

초전도 큐비트에 비해 이 기술은 투자 비용의 일부에 불과합니다. 하버드 그룹에는 분사된 회사가 있습니다. 퀘라, 이미 256큐비트 Rydberg 양자 프로세서를 만들었습니다. 독수리 — 시뮬레이션을 실행할 수 있는 아날로그 "양자 시뮬레이터" 많은 양자 입자의 시스템 — Amazon의 Brackett 양자 컴퓨팅 플랫폼과 협력하여 클라우드에서 사용할 수 있습니다. QuEra는 또한 양자 오류 수정을 발전시키기 위해 노력하고 있습니다.

Saffman은 다음과 같은 회사에 합류했습니다. 굴절는 양자 컴퓨팅뿐만 아니라 양자 센서 및 통신을 위한 중성원자 광학 플랫폼을 개발하고 있습니다. Adams는 “대규모 IT 기업 중 하나가 이러한 분사 기업 중 하나와 일종의 파트너십을 맺는다 해도 놀라지 않을 것입니다.”라고 말했습니다.

Thompson은 “중성 원자 큐비트를 사용하여 확장 가능한 오류 수정을 수행하는 것은 확실히 가능합니다.”라고 말했습니다. "나는 몇 년 안에 10,000개의 중성 원자 큐비트가 분명히 가능하다고 생각합니다." 그 외에도 그는 레이저 출력과 해상도에 대한 실질적인 제한이 필요하다고 생각합니다. 모듈식 디자인 여러 개의 서로 다른 원자 배열이 함께 연결되어 있습니다.

그렇게 되면 무슨 일이 일어날지 누가 알겠는가? 루킨은 “우리는 아직 양자 컴퓨팅으로 무엇을 할 수 있는지조차 모릅니다. "저는 이러한 새로운 발전이 이러한 질문에 답하는 데 도움이 되기를 진심으로 바랍니다."