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미 연구팀, 양자 컴퓨팅 속도 획기적으로 향상시킬 초전도 회로 기술 개발

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미 연구팀, 양자 컴퓨팅 속도 획기적으로 향상시킬 초전도 회로 기술 개발

양자 컴퓨터.  사진=로이터이미지 확대보기
양자 컴퓨터. 사진=로이터
양자 통신의 효율성과 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있는 연구결과가 발표됐다.

11일(현지시각) 양자 컴퓨팅 전문지 퀀텀 인사이더(Quantum Insider)는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 최근 실린 논문을 인용해 이같이 보도했다.
보도에 따르면 휴스턴대, 캘리포니아대, 저장대 등 미국과 중국 대학의 공동 연구팀은 36개의 튜너블 큐비트가 있는 초전도 양자 회로를 활용해, 2차원 양자 네트워크 내에서 양자 상태를 전송하기 위한 확장 가능한 프로토콜을 개발했다. 퀀텀 인사이더는 이번 연구가 양자 통신 분야에서 중요한 진전을 이룬 획기적인 연구라고 전했다.

연구팀은 논문에서 “최근 양자 컴퓨팅 플랫폼의 시스템 크기가 커지면서 단일 장치의 여러 부분( 단거리 양자 네트워크)간에 양자 통신을 실현하는 것이 무엇보다 중요해졌으며, 특히 국소적인 상호 작용이 있는 솔리드 스테이트 아키텍처의 경우 더욱 그렇다”라고 밝혔다.

양자 컴퓨팅의 가능성은 양자 정보의 처리, 감지, 저장, 통신 등 몇 가지 중요한 기능에 달려 있다. 고전적인 통신은 기존의 잘 정립된 방법에 의존할 수 있지만, 양자 통신은 양자 상태의 섬세한 특성을 처리하기 위해 완전히 새로운 설계가 필요하다. 과학자들은 고체 시스템에서 양자 정보 전송에 대한 기존의 실험적 시연은 큐비트 수가 적은 작은 체인으로 제한됐으며, 대부분의 경우 비일반적인 방법을 사용했다고 설명한다.

이 논문의 저자들은 2차원 양자 네트워크 내에서 양자 상태를 전송하기 위한 확장 가능한 프로토콜을 개발해 이 문제를 해결했다. 이 네트워크는 초전도 양자 회로에 36개의 튜닝 가능한 큐비트를 사용해 양자 통신을 위한 다목적 플랫폼을 제공한다.

연구팀은 “우리의 프로토콜은 원격 상호작용을 실현하고 대형 반도체 장치에 얽힘을 분산하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 두 프로세서 노드를 연결하는 빌딩 블록으로 양자 채널을 설계하는 건설적인 기술을 제공한다”라고 밝혔다.

연구팀은 고충실도 상태 전송을 달성하기 위해 양자 혼돈 현상을 극복하는 데 기반을 둔 정교한 최적화 절차를 사용했다. 연구팀은 단일 큐비트 여기, 2큐비트 얽힘 상태, 다체 효과를 나타내는 두 개의 여기 등 세 가지 유형의 양자 상태 전송에 초점을 맞췄다.
과학자들은 양자 시스템에서 여러 입자 간의 집단적 상호작용을 다체 효과라고 부르는데, 이는 매우 복잡할 뿐만 아니라 얽힘과 초전도 같은 현상을 이해하고 활용하는 데 매우 중요하다. 또한 이런 현상을 활용하는 것은 과학자들이 양자 컴퓨팅의 성능과 효율성을 발전시키는 데 필수적인 과정이다.

연구팀은 6×6 큐비트 네트워크를 통해 단일 여기의 전달을 시연했다. 6×6 큐비트 네트워크는 복잡한 양자 연산과 상호작용을 수행하고 연구하는 데 사용되는 36개의 상호 연결된 양자 비트(큐비트)로 구성된 2차원 격자를 말한다.

이 접근 방식은 0.902 ± 0.006의 최대 전송 충실도를 달성했다. 이 충실도는 매우 높지만, 주로 큐비트 네트워크 내의 잔류 열 여기 때문에 이상적인 조건에서 달성할 수 있는 완벽에 가까운 충실도에는 미치지 못한다.

연구진에 따르면 열 여기는 실험의 부정확성을 야기하는 중대한 문제를 야기한다.

수치 시뮬레이션에 따르면 열 여기의 비율이 조금만 높아도 상당한 전송 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 각 큐비트에서 0.5%의 열 여기율이 발생하면 3×3 네트워크의 경우 약 3%, 6×6 네트워크의 경우 약 10%의 전송 오류가 발생할 수 있다. 이런 열 여기 현상을 억제하는 것은 2차원 네트워크에서 향후 전송 충실도를 개선하는 데 매우 중요하다.

연구팀은 몬테카를로 어닐링 최적화 프로세스를 사용해 이 열 여기 현상을 완화했다고 밝혔다.

연구자들은 실험에서 '온도' 매개변수를 점진적으로 낮춰 국부적 최소값을 피하고 전역 최적점을 찾는 시뮬레이션 어닐링 알고리즘에 따라 인접 큐비트 간의 커플링을 변경해 전송 불신율을 최소화했다. 이 기술을 통해 연구팀은 큐비트 상호 작용을 미세 조정해 잔류 열 여기 및 기타 실험적 불완전성을 처리할 때에도 충실도가 높은 양자 상태 전송을 가능하게 만들었다.

이 최적화의 핵심은 네트워크 반전 대칭을 유지하여 부정확성을 최소화하는 데 필요한 매개변수 공간을 단순화하는 것이다. 이 전략은 최적화할 커플링의 수를 줄여 프로세스를 보다 효율적이고 실용적으로 만든다.

연구팀은 아직 해야 할 일이 남아있지만, 이 연구의 실험적 시연은 특히 양자 통신에서 프로토콜의 중요성을 시사한다고 설명했다.

연구팀은 이 기술이 성공한다면 이론적 최적 조건과 실제 실험 설정 사이의 간극을 더욱 좁힐 수 있을 것으로 기대하고 있다.


고현석 글로벌이코노믹 기자 pescatorio@g-enews.com