큐비트가 광섬유 언어를 배울 때

큐비트(양자 정보의 기본 단위)는 전체 기술 분야를 주도합니다. 그중에서도 초전도 큐비트는 대규모 양자 컴퓨터를 만드는 데 도움이 될 수 있지만 전기 신호에 의존하며 확장하기 어렵습니다.

획기적인 발견으로 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 물리학자 팀은 초전도 큐비트의 완전 광학 판독을 달성하여 기술을 현재의 한계를 넘어섰습니다. 그들의 연구 결과는 Nature Physics 에 게재되었습니다.

1년간의 랠리에 이어 양자 컴퓨팅 주식은 국제 양자 과학 및 기술의 해가 시작된 지 며칠도 채 지나지 않아 정체되었습니다. 이 갑작스러운 침체의 이유는 엔비디아 CEO 젠슨 황이 CES 2025 기술 무역 박람회에서 "매우 유용한 양자 컴퓨터"가 아직 20년 뒤에 나올 것이라고 예측한 기조연설 때문입니다.

주식 시장과 기술 무역 박람회 외에도 '고전적인' 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 계산을 수행할 수 있는 확장 가능한 양자 컴퓨터를 향한 경쟁은 치열하게 계속되고 있습니다. 이 유망한 '양자 이점'으로 인해 양자 하드웨어가 빠르게 개발되었지만, 양자 컴퓨터가 '유용해지기' 위해서는 여전히 많은 기술적 장애물을 극복해야 합니다.

이제 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 요하네스 핑크 교수 그룹의 물리학자 팀이 양자 컴퓨터의 확장에 도움이 될 수 있는 중요한 한계를 극복하는 데 성공했습니다. 큐비트가 광섬유 언어를 이해하도록 함으로써 팀은 큐비트를 측정하는 데 필요한 극저온 하드웨어의 양을 상당히 줄였습니다.

"이 새로운 접근 방식을 사용하면 큐비트 수를 늘려 계산에 유용하게 만들 수 있습니다. 또한 실온에서 광섬유를 통해 연결된 초전도 양자 컴퓨터 네트워크를 구축하기 위한 기반을 마련합니다." ISTA의 핑크 그룹에서 박사 과정을 밟았던 공동 1저자 게오르그 아놀드가 말했습니다.

초전도 양자 하드웨어에 광섬유를 적용하는 과제

광섬유는 전기 전송에 비해 여러 가지 이점을 제공하여 통신 산업에 혁명을 일으켰고 고속 통신을 가능하게 했지만, 양자 하드웨어에 광학을 적용하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 절대 영도에 가까운 온도에서 재료의 특수한 물리적 특성을 사용하는 초전도 양자 컴퓨터는 고유한 과제를 제시합니다.

초전도 큐비트를 실현하기 위해 작은 전기 회로는 모든 전기 저항을 잃고 무한정 흐르는 전류를 유지할 수 있는 매우 낮은 온도로 냉각됩니다. "따라서 초전도 큐비트는 정의상 전기적입니다. 이를 만들려면 절대 영도보다 불과 수천 분의 1도 높은 온도에 도달해야 합니다. 이는 우주보다 더 차갑습니다."라고 Arnold는 말합니다.

그러나 전기 신호는 비교적 낮은 대역폭을 가지고 있어 단위 시간당 전송하는 정보가 적습니다. 잡음에 쉽게 압도당하고 정보 손실이 발생하기 쉽습니다. 또한 필요한 배선은 많은 열을 발산합니다.

따라서 "큐비트 판독", 즉 큐비트가 반사하는 전기 신호를 보내어 큐비트를 감지하고 측정하려면 엄청난 극저온 냉각과 필터링 및 증폭을 위한 정교하고 값비싼 전기 구성 요소가 필요합니다.

반면, 고에너지 광 신호(예: 통신 파장)는 미세한 손실로 얇은 광섬유로 전파됩니다. 또한 열 발산이 상당히 낮고 대역폭이 훨씬 높습니다. 따라서 큐비트가 언어를 이해할 수만 있다면 초전도 양자 하드웨어의 한계를 넓히는 데 사용하는 것이 이상적입니다.

광 신호를 큐비트로 '변환'

초전도 양자 하드웨어에서 완전한 광학 판독을 달성하기 위해 팀은 광 신호를 큐비트로 '변환'하고 다시 되돌리는 방법을 찾아야 했습니다.

"이상적으로는 필요한 배선이 큐비트가 있는 냉각실로 많은 열을 전달하기 때문에 모든 전기 신호를 제거하려고 할 것입니다. 하지만 이는 불가능합니다." ISTA의 Fink 그룹에 속한 박사 과정 학생이자 공동 1저자인 Thomas Werner가 말했습니다.

그래서 연구자들은 전기 광학 변환기를 사용하여 광 신호를 마이크로파 주파수로 변환하는 방법을 생각해냈습니다.

마이크로파 주파수는 큐비트가 이해할 수 있는 전기 신호입니다. 이에 따라 큐비트는 변환기가 광학으로 변환하는 마이크로파 신호를 반사합니다.

Werner는 이 작업의 섬세함을 강조하며 "초전도성을 잃지 않고도 큐비트에 적외선을 가까이 보낼 수 있음을 보여주었습니다."라고 말했습니다. 전기 광학 변환기를 스위치로 사용하여 팀은 큐비트를 외부 세계에 직접 연결할 수 있었습니다.

큐비트 장벽 극복 및 기타 장점

양자 컴퓨터로 '유용한' 계산을 하려면 수천 개 또는 수백만 개의 큐비트가 필요합니다. 그러나 인프라는 큐비트를 감지하고 측정하는 데 필요한 극저온 냉각 요구 사항이 너무 높아 따라잡기 어렵습니다.

"저희 기술은 초전도 큐비트를 측정하는 데 필요한 열 부하를 상당히 줄일 수 있습니다. 이를 통해 큐비트 장벽을 깨고 양자 컴퓨팅에 사용할 수 있는 큐비트 수를 늘릴 수 있습니다."라고 Arnold는 말합니다.

초전도 큐비트의 완전한 광학 판독을 달성함으로써 연구자들은 많은 번거로운 전기 구성 요소를 설정에서 제거할 수 있었습니다. 기존 판독 시스템의 전기 신호는 오류가 발생하기 쉽기 때문에 기술적으로 제한적이고 값비싼 전기 구성 요소를 사용하여 대규모 신호 수정이 필요하며, 이 구성 요소는 또한 극저온으로 냉각되어야 합니다.

"그래서 전기 광학 변환기를 사용하여 큐비트를 전기 인프라에서 분리함으로써 나머지 모든 설정 부분을 광학으로 교체할 수 있었습니다."라고 Werner는 말합니다. 이를 통해 시스템이 더욱 견고하고 효율적일 뿐만 아니라 비용도 절감됩니다.

실온 링크를 통한 초전도 양자 컴퓨터 인터페이싱

이 기술은 과학자들이 빛을 사용하여 여러 양자 컴퓨터를 연결할 수 있게 함으로써 사용 가능한 초전도 큐비트의 수를 더욱 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재 양자 컴퓨터는 프로세서 모듈 간의 필요한 연결을 포함하여 전체 측정 설정에 대한 냉각을 제공하기 위해 소위 "희석 냉장고"가 필요합니다. "하지만 이러한 희석 냉장고는 또한 실질적인 한계가 있으며 무한히 크게 만들 수 없습니다."라고 Arnold는 말합니다. 차례로 공간 및 냉각 제한은 사용 가능한 큐비트의 수를 제한합니다.

하지만 연구원들에 따르면 지금은 광섬유를 사용하여 두 개의 별도 희석 냉장고에서 두 개의 큐비트를 연결하는 것이 가능할 수 있습니다.

"인프라가 사용 가능하며 이제 최초의 간단한 양자 컴퓨팅 네트워크를 구축할 수 있는 기술이 있습니다."라고 Arnold는 말합니다.

ISTA 물리학자들은 초전도 양자 하드웨어 개발에서 중요한 이정표에 도달했지만, 해야 할 일이 아직 많이 남았습니다.

"저희 프로토타입의 성능은 여전히 ​​상당히 제한적입니다. 특히 필요한 광 전력량과 소산되는 광 전력량과 관련하여 그렇습니다. 그럼에도 불구하고, 초전도 큐비트의 완전한 광학 판독이 가능하다는 원리를 증명하는 역할을 합니다. 이 기술을 더욱 발전시키는 것이 업계의 역할이 될 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250211134910.htm