53큐비트 양자 시뮬레이터 공개… 세계 최대 규모 기록 경신

• 물리학자들이 53개 상호작용하는 양자 자석을 구축해 1000조 개의 자석 구성 가능하게 했습니다.
• 원자 큐비트를 사용해 복잡한 양자 물질을 모방하는 제한된 유형의 양자 컴퓨터입니다.
• 각 큐비트를 약 99% 효율로 측정했습니다.

메릴랜드 대학교와 미국 국립표준기술연구소(NIST) 물리학자들이 53개 상호작용하는 원자 큐비트를 사용해 자기 양자 물질을 모방, 새로운 기록을 세웠습니다. 개별 큐비트의 고효율 단일 샷 측정으로는 최대 규모의 양자 시뮬레이션입니다.

최대 53개의 이터븀 이온을 사용했는데, 이는 면도날처럼 날카로운 금 코팅 전극에 포획된 전하를 띤 원자입니다. MIT와 하버드 과학자들이 개발한 보완 시스템은 레이저 빔에 갇힌 51개 루비듐 원자를 사용합니다. 이 실험 플랫폼은 최신 슈퍼컴퓨터의 한계를 훨씬 넘어서는 어려운 양자 문제(아이지 샘플링 등)를 해결하는 데 확장될 수 있습니다.

더 적은 수의 포획 이온 큐비트로 시뮬레이션이 이미 입증되었으며, 이제 스핀 간 상호작용에 대한 더 높은 수준의 제어로 이 시스템을 범용 양자 컴퓨터로 업그레이드할 수 있습니다.

모든 이온 큐비트는 안정적인 원자 시계로 쉽게 복제 가능합니다. 외부 레이저 빔으로 효율적으로 연결해 내부 설정을 방해하지 않고 장치를 재구성할 수 있습니다. 이는 향후 등장할 모든 종류의 양자 컴퓨팅 앱에 적응하기 위함입니다. 실제로 무엇을 개발했고 어떻게 유익한지 알아보겠습니다.

양자 시뮬레이터란 정확히 무엇인가?

양자 시스템은 실험실에서 연구하기 어렵고 슈퍼컴퓨터로 모델링하는 것은 거의 불가능합니다. 그래서 양자 시뮬레이터를 사용해 양자 컴퓨팅의 패턴과 특징을 연구합니다. 특정 물리 문제에 대한 세부 정보를 제공하도록 특별히 개발되었습니다.

다중 입자 양자 시스템을 시뮬레이션하는 기술은 기존 컴퓨터에서 지수적 시간이 필요합니다. 그러나 원래 시스템의 입자 수와 유사한 다중 양자 비트를 사용해 양자 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 다양한 양자 시스템 범주로 확장되었습니다.

현재까지 양자 시뮬레이터는 포획 이온, 초전도 회로, 초저온 양자 기체, 광자 시스템 등 수많은 플랫폼에서 구현되었습니다.

양자 하드웨어로 양자 문제 풀기

현대 슈퍼컴퓨터는 20개 이상의 상호작용하는 양자 객체를 처리할 수 없습니다. 양자 자성의 경우 상호작용이 양자 규모에서 자기 정렬로 이어질 수 있습니다.

양자 문제는 일반적으로 각 자석이 시스템 내 다른 모든 자석과 상호작용하기 때문에 어렵습니다. 물리학자들이 개발한 시뮬레이터는 53개 상호작용하는 양자 자석을 가지며, 1000조 개의 자석 구성이 가능합니다. 자석이 하나 추가될 때마다 이 숫자는 두 배가 됩니다.

큐비트를 사용해 복잡한 양자 물질을 모방하는 제한된 유형의 양자 컴퓨터입니다. 큐비트는 격리될 수 있고 동시에 두 개 이상의 상태에 있을 수 있습니다. 다양한 형태가 있으며, 큐비트 구축에 가장 선호되는 선택은 모든 물질의 다재다능한 구성 요소인 원자입니다. 최근 몇 년간 물리학자들은 소규모 양자 시뮬레이션에서 최대 20개 큐비트 제어에 큰 성공을 거두었습니다.

왜 원자를 사용하는가?

장치의 양자 본성을 보호하려면 큐비트가 환경으로부터 격리되어야 합니다. 특히 처음부터 동일하지 않은 제작 회로의 경우, 큐비트가 추가될수록 보호가 더 어려워집니다. 이것이 원자가 큐비트로 선호되는 주요 이유 중 하나입니다. 원자를 사용하면 제작 회로에 비해 양자 기계를 더 쉽게 확장할 수 있습니다.

오늘날 컴퓨터와 달리 원자 큐비트는 상온에서 진공 챔버 내에 저장되며, 압력이 외부 우주와 매우 유사하게 유지됩니다. 큐비트 격리로 물리학자들은 특수 레이저, 거울, 광섬유, 렌즈, 전기 회로로 원자 큐비트를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
현재 대부분의 거대 기술 기업, 대학, 스타트업이 많은 수의 큐비트를 제어할 수 있는 양자 기계 프로토타입 개발에 집중하고 있습니다.

53큐비트 시뮬레이터

모든 원자 큐비트는 같은 전하를 띠므로 서로 밀어냅니다. 서로 멀어지려 할 때 맞춤형 전기장이 다시 모아줍니다. 이 두 힘이 균형을 이뤄 이온이 한 줄로 유지됩니다. 과학자들은 고유한 반발력을 이용해 이온 간 상호작용을 생성하며, 이는 상호작용하는 양자 물질을 시뮬레이션하는 데 필수적입니다.

레이저 펄스가 모든 큐비트를 제어해 양자 시뮬레이션을 시작할 같은 상태로 만듭니다. 또 다른 레이저 빔 세트가 원자 큐비트와 상호작용해 작은 자석처럼 행동하게 합니다. 이제 큐비트는 무작위 방향을 가리켜 무자화 상태가 되거나, 이웃과 극을 정렬해 강자성을 생성할 수 있습니다. 과학자들은 빔 강도를 조절해 다양한 레이저 조건에서 어떤 위상이 이기는지 분석할 수 있습니다.

참고: 메릴랜드 대학교 | Nature | DOI:10.1038/nature24654

전체 시뮬레이션은 단 몇 밀리초 만에 일어납니다. 이 과정을 여러 번 반복하고 다른 지점에서 최종 상태를 분석하면, 과정이 시작부터 끝까지 어떻게 전개되는지 관찰할 수 있습니다. 이는 큐비트 자석이 다양한 위상에 따라 어떻게 조직화되는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

레이저로 원자 큐비트 조작하는 아티스트 상상도 | 크레딧: E. Edwards/JQI

연구팀은 제어 가능한 범위와 강도의 장거리 상호작용을 적용하고, 각 큐비트를 약 99% 효율로 측정했습니다. 이는 큐비트 간 다체 상관관계를 한 번에 계산할 수 있게 해, 역학적 위상 전이를 직접 탐구하고 큐비트 간 높은 연결성과 장거리 상호작용에 의존하는 다루기 어려운 특징을 드러냅니다.

이 시뮬레이터는 자기 물질 탐구에 적합하지만, 다른 유형의 계산에는 프로그래밍 가능한 상호작용을 가진 더 일반적인 양자 기계가 필요합니다.

다음 단계는?

이런 유형의 양자 시뮬레이터는 과학자들이 양자 회로를 구현하고, 궁극적으로 여러 이온 체인을 연결해 광범위한 응용이 가능한 완전한 양자 컴퓨터를 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

참고 읽기: 양자 컴퓨터에 대한 10가지 이상의 흥미로운 사실

연구팀은 곧 100개 이상의 이온 큐비트를 제어할 수 있을 것이라고 주장합니다. 그때가 되면 소재 설계와 양자 화학에서 더 어려운 문제를 탐구할 수 있을 것입니다. 반면 D-Wave는 칩에 2,000개 큐비트를 생산한다고 주장합니다.

대조적으로 인텔, 구글, IBM은 초전도 전자 회로를 사용해 자체 양자 컴퓨터를 구축하고 있습니다.