양자 정보와 눈송이의 공통점과 이에 대해 우리가 할 수 있는 일
날짜:
2022년 6월 15일
원천:
볼더의 콜로라도 대학교
요약:
양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트는 눈송이처럼 깨지기 쉽습니다. 이제 연구원들은 특정 종류의 큐비트에서 정보를 그 과정에서 파괴하지 않고 정보를 읽는 새로운 방법을 고안하여 잠재적으로 양자 인터넷의 길을 열었습니다.
큐빗은 양자 컴퓨터의 기본 빌딩 블록이지만, 또한 그 과정에서 정보를 지우지 않고 관찰하기가 까다롭기로 악명이 높습니다. 이제 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)과 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 새로운 연구는 가벼운 터치로 큐비트를 처리하기 위한 도약이 될 수 있습니다.
이 연구에서 물리학자 팀은 레이저 광을 사용하여 큐비트를 동시에 파괴하지 않고 초전도 큐비트라는 유형의 큐비트에서 신호를 읽을 수 있음을 보여주었습니다.
이 그룹의 결과는 양자 인터넷 구축을 향한 중요한 단계가 될 수 있다고 연구원들은 말합니다. 이러한 네트워크는 수십 또는 수백 개의 양자 칩을 연결하여 엔지니어가 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터의 손이 닿지 않는 문제를 해결할 수 있도록 합니다. 또한 이론적으로 유사한 도구 세트를 사용하여 장거리에서 깨지지 않는 코드를 보낼 수도 있습니다.
6월 15일 네이처 저널에 게재될 이 연구는 CU 볼더와 NIST의 공동 연구 기관인 JILA가 주도했습니다.
이번 연구의 주저자인 로버트 딜라니(Robert Delaney)는 "현재 우리가 두 대의 고전 컴퓨터 간에 신호를 보내는 것처럼 멀리 떨어진 초전도 프로세서 간에 양자 신호를 보낼 수 있는 방법이 없다"고 말했다.
Delaney는 랩톱을 실행하는 기존 비트는 매우 제한적이라고 설명했습니다. 현재까지 대부분의 컴퓨터 프로그래밍의 기초가 되는 숫자인 0 또는 1의 값만 취할 수 있습니다. 이와 대조적으로 큐비트는 0, 1이 될 수 있으며 "중첩"이라는 속성을 통해 0과 1로 동시에 존재할 수 있습니다.
그러나 큐비트로 작업하는 것은 따뜻한 손에 눈송이를 잡으려는 것과 비슷합니다. 아주 작은 방해라도 중첩을 무너뜨려 정상적인 비트처럼 보이게 할 수 있습니다.
새로운 연구에서 Delaney와 그의 동료들은 이러한 취약성을 극복할 수 있음을 보여주었습니다. 팀은 초전도 큐비트에서 나오는 신호를 가시광선으로 변환하기 위해 웨이퍼처럼 얇은 실리콘 조각과 질소를 사용합니다. 이 빛은 이미 광섬유 케이블을 통해 도시에서 도시로 디지털 신호를 전달하는 동일한 종류의 빛입니다.
공동 저자인 JILA 펠로우이자 CU Boulder 물리학 부교수인 Cindy Regal은 "연구원들은 큐비트에서 광학 빛을 추출하기 위한 실험을 했지만 그 과정에서 큐비트를 방해하지 않는 것은 어려운 일입니다."라고 말했습니다.
양자 도약
큐빗을 만드는 방법에는 여러 가지가 있다고 그녀는 덧붙였다.
일부 과학자들은 레이저 광에 원자를 가두어 큐비트를 조립했습니다. 다른 사람들은 큐비트를 다이아몬드 및 기타 결정에 내장하는 실험을 했습니다. IBM과 Google과 같은 회사는 초전도체로 만든 큐비트를 사용하여 양자 컴퓨터 칩을 설계하기 시작했습니다.
초전도체는 전자가 저항 없이 속도를 낼 수 있는 물질입니다. 적절한 상황에서 초전도체는 마이크로파 주파수에서 진동하는 작은 빛 입자 또는 "광자"의 형태로 양자 신호를 방출합니다.
그리고 그것이 문제가 시작되는 곳이라고 Delaney는 말했습니다.
이러한 종류의 양자 신호를 장거리로 보내기 위해 연구자들은 먼저 마이크로파 광자를 가시광선 또는 광학 광자로 변환해야 합니다. 이 광자는 도시를 가로지르는 광섬유 케이블을 통해 상대적으로 안전하게 이동할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터의 경우 이러한 변환을 달성하는 것은 까다롭다고 연구 공동 저자인 Konrad Lehnert가 말했습니다.
부분적으로는 마이크로파 광자를 광학 광자로 바꾸는 데 필요한 주요 도구 중 하나가 레이저 광이고 레이저가 초전도 큐비트의 천적이기 때문입니다. 레이저 빔에서 하나의 떠도는 광자가 큐비트에 닿으면 완전히 지워집니다.
NIST 및 JILA 연구원인 Lehnert는 "큐비트의 취약성과 초전도체와 레이저 광 사이의 본질적인 비호환성은 이러한 종류의 판독을 방해합니다."라고 말했습니다.
비밀 코드
이러한 장애물을 피하기 위해 팀은 전기 광학 변환기라고 하는 얇은 재료 조각으로 전환했습니다.
Delaney는 팀이 현미경 없이는 볼 수 없는 너무 작은 웨이퍼를 레이저 광으로 재핑하는 것으로 시작한다고 설명했습니다. 큐비트의 마이크로파 광자가 장치에 부딪히면 흔들리고 더 많은 광자를 뿜어냅니다. 그러나 이제 이 광자는 완전히 다른 주파수에서 진동합니다. 전자레인지 빛이 들어오고 가시광선이 나온다
최신 연구에서 연구원들은 실제 초전도 큐비트를 사용하여 변환기를 테스트했습니다. 그들은 얇은 재료가 이 스위처루를 달성하는 동시에 치명적인 적, 큐비트 및 레이저를 서로로부터 효과적으로 격리할 수 있다는 것을 발견했습니다. 다시 말해서, 레이저 광의 광자는 초전도체를 방해하기 위해 다시 누출되지 않았습니다.
"우리의 전기 광학 변환기는 큐비트에 많은 영향을 미치지 않습니다."라고 Delaney가 말했습니다.
팀은 변환기를 통해 실제 양자 정보를 전송할 수 있는 지점에 도달하지 않았습니다. 다른 문제들 중에서 이 장치는 아직 특별히 효율적이지 않습니다. 하나의 가시광선 광자를 생성하는 데 평균적으로 약 500개의 마이크로파 광자가 필요합니다.
연구원들은 현재 그 비율을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 일단 그렇게 하면 양자 영역에서 새로운 가능성이 나타날 수 있습니다. 과학자들은 이론적으로 유사한 도구 세트를 사용하여 케이블을 통해 양자 신호를 보낼 수 있으며, 이 신호는 누군가 귀를 기울이려고 할 때 정보를 자동으로 지울 수 있습니다.
미션 임파서블은 민감한 큐빗 덕분에 현실이 되었습니다.