quantum wave

• 저자 C. M. Löschnauer et al., (Oxford Ionics Team)
• 저널 arXiv Preprint, 2407.07694
• 게재일 2024년 07월 10일
• DOI 10.48550/arXiv.2407.07694

실용적인 양자컴퓨터 개발을 위해 해결해야 할 핵심 과제 중 하나는, 확장 가능하면서도 고신뢰도의 양자 게이트를 구현하는 것입니다. 현재 대부분의 양자 프로세서들은 큐비트 수를 늘릴수록 게이트 성능이 저하되는 '규모-성능 간 트레이드오프' 문제를 겪고 있으며, 많은 큐비트를 동시에 정밀하게 제어하는 것은 여전히 큰 기술적 도전 과제로 남아 있습니다. 이온 큐비트의 경우, 특히 대규모 시스템에서 각 이온에 레이저를 개별적으로 조사하는 작업이 매우 복잡하고 어려운 숙제로 남아 있습니다. 최근에는 집적 광학계를 이용한 초소형 광학계 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 여전히 실현 가능한 수준까지는 여러 기술적 난제를 안고 있습니다.

본 논문은 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로, 레이저 없이 고신뢰도 양자 게이트를 대규모로 구현하는 접근 방식을 제안하고 실험적으로 입증합니다. 구체적으로는, 이온 포획 칩 하부에 배치된 미세 전선을 통해 강한 자기장 기울기(magnetic field gradient)를 생성하여 이온 큐비트의 상태를 제어하는 방식입니다. 자기장 기울기를 이용한 이온 큐비트 제어 방식은 노벨상 수상자인 David Wineland 박사가 있던 미국 NIST 이온 포획 연구팀에 의해 처음 제안되었으며, 2021년 같은 연구실에서 실험적으로 구현된 바 있습니다. 본 연구는 이 방식을 대규모 시스템에 적용할 수 있도록 확장 가능한 구조로 구현하고, 그 설계 및 원리 증명을 목표로 합니다.

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전기적 제어 방식의 이온 포획 양자 프로세서 개념도 및 테스트 디바이스.
원자 이온들은 전극에 인가된 RF/DC 전압에 의해 포획되며, 칩 하부 전선을 통해 생성된 자기장 기울기를 이용해 큐비트 상태가 제어됩니다.

이온 큐비트는 칩 아래의 전선과의 상대적인 위치에 따라 서로 다른 자기장 기울기를 경험합니다. 전선 바로 위에 위치한 큐비트는 자기장 기울기가 0에 가까워 상호작용을 거의 느끼지 않지만, 약간 이동된 위치에 있는 큐비트는 의도된 강한 상호작용을 경험하게 됩니다.

이러한 위치 제어는 DC 전극에 인가되는 전압을 조절하여 이온의 위치를 이동시킴으로써 가능하며, 결과적으로 선택적인 게이트 연산이 정밀하게 구현됩니다. 이 방식으로 수행된 단일 큐비트 게이트의 오류율은 Clifford 게이트 기준, SK1 복합 펄스를 사용했을 때 8.4(7) × 10⁻⁶ 수준으로 매우 낮은 값을 보였습니다.
또한, 게이트가 적용되지 않은 상태에 있는 '숨겨진' 주변 큐비트에서의 제어 오류율도 1.6(8) × 10⁻⁶로 측정되어, 인접 큐비트 간의 간섭(crosstalk)이 극히 낮음을 확인할 수 있었습니다.

얽힘 게이트 구현에는 이온 큐비트 시스템에서 널리 사용되는 Molmer--Sørensen(MS) 게이트 방식을 자기장을 이용해 적용하였으며, 그 결과 99.97(1)%의 신뢰도를 달성하였습니다. 이는 현재까지 보고된 얽힘 게이트 신뢰도 중 가장 높은 수치로, 오류 정정 코드가 안정적으로 동작할 수 있을 정도로 낮은 오류율에 해당합니다.
또한, 게이트 캘리브레이션 이후 60시간에 걸쳐 99.9% 이상('Three-nines')의 신뢰도를 지속적으로 유지하여, 시스템의 장기적인 안정성과 반복 가능성을 실험적으로 입증하였습니다. 해당 얽힘 게이트 프로토콜은 하나의 전선 상에 배치된 여러 큐비트 쌍에 병렬적으로 적용할 수 있는 구조로 설계되어, 대규모 양자 연산으로의 확장성 측면에서 매우 유망합니다.
다만, 본 논문에서는 병렬 얽힘 게이트 실행 자체를 수행하거나 평가하지는 않았으며, 개별 연산 영역에서의 성능 평가에 집중하고 있습니다.

저자들은 본 연구에서 제안한 기술을 이온 큐비트를 셔틀링하여 연산을 수행하는 QCCD(Quantum Charge-Coupled Device) 아키텍처에 접목하여, 대규모 양자컴퓨팅 시스템으로 확장할 수 있는 방향을 제시합니다.
QCCD 아키텍처에서는 이온 큐비트들이 포획 포텐셜의 정밀한 제어를 통해 여러 게이트 영역 사이를 이동하며 재배열되고, 이를 통해 복합적인 양자 연산이 수행됩니다. 미국 Quantinuum사의 이온 포획 기반 양자 프로세서 (H-series) 역시 QCCD 아키텍처를 채택하고 있으며, 최근에는 레이저 기반 얽힘 게이트를 이용해 99.914(3)%의 신뢰도를 달성한 바 있습니다.
저자들은 본 연구의 접근법을 통해 3.5 × 3.5cm² 크기의 칩 상에서 약 1만 개의 큐비트를 제어할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다. 한편, 이 방식은 약 1A 수준의 고전류가 필요한 제어 방식이기 때문에 열적 부하가 우려되는 부분 중 하나인데, 저자들은 회로 설계와 열 관리 최적화를 통해 전력 소비를 수백 μW 수준으로 억제함으로써, 일반적인 4K 극저온 냉동기로도 시스템을 안정적으로 냉각할 수 있다고 주장합니다.

정리하자면, 이 연구는 전기적 방식에 기반한 이온 큐비트 제어 기술의 확장 가능성과 성능을 검증한 원리증명(proof-of-principle) 실험으로서, 향후 관련 기술 개발의 기반이 될 수 있는 결과를 제시합니다.

연구 그룹 소개 및 국내 연구 동향

Oxford Ionics는 Oxford 대학의 David Lucas 교수 연구실 출신의 Christopher Balance 박사와 Tom Harty 박사가 공동 창업한 이온 포획 기반 양자컴퓨팅 스타트업입니다. 이 연구팀은 2014년 이온포획 시스템에서 당시 최고수준의 제어 신뢰도를 보고한 바가 있으며, 현재는 전통적인 레이저 기반 제어 방식 대신 마이크로파 기반의  전자 제어 방식을 적용한 양자 프로세서를 개발 중에 있습니다. 최근에는 DARPA가 주관하는 Quantum Benchmarking Initiative에 참여하는 등, 양자 컴퓨팅 개발과 실용화를 위한 다양한 연구 개발을 활발히 수행 중입니다.

국내에서는 마이크로파 기반의 이온 포획 큐비트 제어에 대한 직접적인 연구는 아직 보고되지 않았으나, 이온 포획 칩 및 확장가능한 시스템에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있습니다. 서울대학교 김태현 교수 연구실에서는 MEMS 공정을 기반으로 한 이온 포획 칩 개발과 집적 광학계 설계에 대한 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 또한 최근에는 한국기계연구원, 성균관대학교, ETH Zurich 간의 협력 연구를 통해, 3차원 극미세 프린팅 및 미세 유리가공 공정 기반의 3차원 이온 포획 구조물 개발이 진행되고 있어, 국내에서도 확장형 이온 포획 시스템 구현을 위한 기술 기반이 점차 마련되고 있는 상황입니다.