양자 컴퓨팅 난제 3D 프린팅으로 해결…양자 게이트 충실도 98% 달성

과학자들이 3D 프린팅 기술을 활용해 양자 컴퓨팅의 오랜 난제를 해결할 단초를 마련했다.

기존 양자 이온 트랩의 단점인 성능과 확장성을 동시에 잡은 소형 트랩 개발에 성공하면서, 양자 컴퓨터 상용화에 한 발 더 다가섰다.

22일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)와 캘리포니아 대학교 연구팀은 고해상도 3D 프린팅 기술로 사중극자 이온 트랩((Quadrupole Ion Trap-4개의 전극을 사용해 이온을 가두는 장치)을 소형화하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 기존 평면 트랩의 확장성과 3D 트랩의 안정성이라는 두 가지 장점을 모두 결합했다는 점에서 주목된다.


양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 불안정성이 큰 문제점으로 지적돼 왔다. 특히 '이온 트랩' 방식은 이온을 안정적으로 가두는 것이 중요한데, 기존 평면 트랩은 확장성은 좋지만 성능이 낮았고, 기존 3D 트랩은 성능은 좋았지만 부피가 커서 집적화가 어려웠다.
이번에 개발된 3D 프린팅 트랩은 이러한 문제를 해결했다. 초고해상도의 2광자 중합 인쇄를 통해 밀리미터 크기로 제작되었으며, 최첨단 트랩과 견줄 만한 성능으로 칼슘 이온을 안정적으로 포획했다. 연구팀은 두 이온이 몇 분 동안 위치를 바꾸는 동안 안정성을 유지하는 실험을 통해 이를 증명했다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 LLNL의 샤오싱 샤(Xiaoxing Xia) 연구원은 "3D 프린팅은 이온을 안정적으로 포획하는 데 필요한 공간을 제공하며, 동일한 칩에 여러 개의 이온 트랩을 만들 수도 있다"고 설명했다. 그는 이 기술이 "마치 집적 회로가 발명되기 전의 개별 트랜지스터를 대체하는 것과 같다"고 비유했다.


연구팀은 이번에 개발된 3D 프린팅 트랩을 이용해 양자 컴퓨팅의 핵심 지표인 양자 게이트 충실도(fidelity) 테스트도 진행했다. 그 결과, 두 큐비트 얽힘 게이트에서 98%의 높은 충실도를 달성했다. 이는 양자 컴퓨터의 연산 정확도를 나타내는 중요한 지표로, 양자 오류율을 낮추는 데 기여할 수 있다.

또한, 3D 프린팅 제작 공정 자체가 매우 빠르고 유연하다는 장점도 있다. 연구팀은 트랩 전체를 14시간 만에, 전극만은 30분 만에 인쇄할 수 있다고 밝혔다. 이를 통해 다양한 형태의 새로운 트랩 디자인을 신속하게 실험하고 최적화할 수 있게 됐다.

UC 버클리의 하르트무트 헤프너(Hartmut Häffner) 물리학자는 "이번 연구는 이온 트랩의 기하학적 구조 범위를 획기적으로 확장했다"며, "이온 트랩을 최적화하고 소형화하는 새로운 시각을 제공할 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 양자 컴퓨터의 상용화를 앞당기는 중요한 발걸음으로 평가받고 있다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com