캘리포니아 공과대학(Caltech) 물리학자들이 현재까지 가장 큰 중성 원자 양자 컴퓨터를 개발했습니다. 이 컴퓨터는 6,100개의 세슘 원자를 단일 배열에 큐비트로 가두었습니다. 목요일 네이처(Nature) 에 발표된 이 결과는 수백 개의 큐비트만 포함했던 기존 배열에 비해 상당한 성능 향상을 보여줍니다.
연구진은 실용적인 기계에 필요한 수준의 안정성과 정밀도를 유지하면서, 과거 실험에서 일반적으로 사용되던 수백 개의 큐비트에서 6,000개 이상으로 시스템을 확장했습니다.
연구팀은 단일 큐비트 연산을 99.98%의 정확도로 수행하면서 약 13초의 코히어런스 시간을 달성했다고 밝혔습니다. 이는 과거 실험보다 거의 10배 더 긴 수치입니다.
큐비트 또는 양자 비트(Bit) 는 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위입니다. 0 또는 1로만 표현되는 기존 비트(Bit) 와 달리, 큐비트는 두 상태가 동시에 중첩 되어 여러 연산을 병렬로 수행할 수 있습니다. 문제는 이러한 섬세한 상태를 연산을 수행할 수 있을 만큼 오랫동안 안정적으로 유지하는 것입니다.
이러한 안정성을 "결맞음"이라고 하며, 잡음, 열 또는 전자기파의 영향을 끊임없이 받습니다. 큐비트가 결맞음을 오래 유지할수록, 양자 프로세서는 오류가 발생하기 전에 더 복잡하고 안정적인 연산을 수행할 수 있습니다.
"중성 원자 양자 컴퓨팅에 있어 매우 흥미로운 순간입니다."라고 칼텍 물리학 교수이자 이 프로젝트의 책임 연구원인 마누엘 엔드레스는 성명을 통해 밝혔습니다. "이제 우리는 대규모 오류 정정 양자 컴퓨터로 가는 길을 볼 수 있게 되었습니다. 기본 토대는 이미 마련되었습니다."
하지만 이 프로젝트에 참여한 캘리포니아 공과대학 대학원생 엘리 바타유에 따르면, 시간의 양은 양자 과정에서 단지 한 가지 요소일 뿐입니다.
"필요한 것은 작업 지속 시간에 비해 매우 긴 일관성 시간입니다."라고 바타유는 디크립트(Decrypt) 말했습니다. "작업이 1마이크로초이고 일관성 시간이 1초라면 약 백만 건의 작업을 수행할 수 있다는 뜻입니다."
연구진은 고도로 집중된 광선인 " 광학 집게 "를 사용하여 개별 원자를 잡아 위치를 조정했습니다. 단일 레이저를 12,000개의 작은 광 트랩으로 분리함으로써, 진공 챔버 내부에 6,100개의 원자를 안정적으로 고정할 수 있었습니다.
바타이유는 "적절한 파장의 레이저를 사용하면 빛이 코스모스(ATOM) 를 끌어당겨 포획할 수 있습니다."라고 말했습니다 . "빛줄기를 약 1마이크로미터 정도의 매우 작은 폴카닷(DOT) 으로 제한하면 많은 원자를 끌어당겨 포획할 수 있습니다."
연구팀은 중첩이라고 불리는 취약한 양자 상태를 깨지 않고 배열 내에서 원자를 이동할 수 있음을 보여주었습니다. 큐비트를 안정적으로 유지하면서 이동할 수 있는 이러한 능력은 향후 양자 컴퓨터의 오류 수정을 더욱 용이하게 할 수 있습니다.
중성 원자 양자 시스템은 초전도 회로 및 포획 이온 플랫폼의 유력한 경쟁자로 주목을 받고 있습니다. 중성 원자 양자 시스템의 고유한 장점 중 하나는 물리적 재구성 가능성입니다. 이동식 광학 트랩을 사용하여 계산 중에 원자를 재배열할 수 있으며, 이는 견고한 하드웨어 토폴로지로는 따라잡기 어려운 동적 연결성을 제공합니다. 지금까지 대부분의 중성 코스모스(ATOM) 배열은 수백 개의 큐비트만 포함하고 있었기 때문에, 칼텍의 6,100큐비트 달성은 중요한 진전입니다.
전 세계 기업과 연구소들이 양자 컴퓨터를 확장함에 따라 이러한 결과가 나타나고 있습니다. IBM은 2033년까지 10만 큐비트 초전도 컴퓨터를 개발하겠다고 공표했으며, IonQ 와 QuEra 같은 회사들은 이온 트랩 및 중성 원자 접근법을 개발하고 있습니다. 콜로라도에 본사를 둔 Quantinuum은 2029년까지 완벽한 내결함성 양자 컴퓨터를 출시하는 것을 목표로 합니다.
다음 이정표는 대규모 오류 수정을 시연하는 것인데, 이를 위해서는 수천 개의 물리적 큐비트에서 논리적 큐비트를 인코딩해야 합니다. 이는 양자 컴퓨터가 화학, 재료 등의 실질적인 문제를 해결하려면 매우 중요합니다.
바타유는 "기존 컴퓨터는 10~17번의 연산마다 한 번의 오류를 범합니다."라고 말했습니다. "양자 컴퓨터는 그 정도 정확도에는 턱없이 못 미치며, 하드웨어만으로는 그 수준에 도달할 수 없을 것으로 예상됩니다."
캘리포니아 공과대학 연구팀은 본격적인 양자 계산을 실행하는 데 필요한 단계인 얽힘을 통해 큐비트를 링크(Chainlink) 계획입니다.
캘리포니아 공과대학의 6,100큐비트 배열은 아직 실용적인 양자 컴퓨터를 구현하지는 못했지만, 규모, 정확도, 일관성을 하나의 시스템에 결합함으로써 새로운 기준을 제시하고 양자 컴퓨팅의 선도적 플랫폼으로서 중성 원자의 입지를 강화합니다.
