Nature는 양자 컴퓨팅의 주요 진전을 발표합니다: 최초의 양자 집적 회로 구현

6월 23일, 호주의 양자컴퓨팅 회사 SQC(Silicon Quantum Computing)가 세계 최초의 양자집적회로 출시를 발표했습니다. 이것은 고전적인 컴퓨터 칩에 있는 모든 기본 구성 요소를 양자 규모로 포함하는 회로입니다.

SQC 팀은 이 양자 프로세서를 사용하여 유기 폴리아세틸렌 분자의 양자 상태를 정확하게 시뮬레이션하여 마침내 새로운 양자 시스템 모델링 기술의 효율성을 입증했습니다.

SQC 설립자 Michelle Simmons는 "이것은 획기적인 발전입니다."라고 말했습니다. 오늘날의 고전적인 컴퓨터는 원자 사이에 가능한 상호 작용이 너무 많기 때문에 상대적으로 작은 분자조차 시뮬레이션하는 데 어려움을 겪고 있습니다. SQC의 원자 규모 회로 기술 개발을 통해 회사와 고객은 약물, 배터리 재료 또는 촉매 등 다양한 신소재의 양자 모델을 구축할 수 있습니다. 이전에 존재하지 않았던 새로운 소재가 실현되기까지는 그리 오랜 시간이 걸리지 않을 것입니다. "

연구 결과가 네이처(Nature) 매거진 최신호에 게재되었습니다.

논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

클래식 컴퓨터를 양자 수준에서 복제

하는 것은 일반 컴퓨터와 같습니다. (클래식)) 컴퓨터, 양자 컴퓨터는 트랜지스터를 사용하여 정보를 인코딩합니다. 그러나 기존 컴퓨터와는 달리 양자 컴퓨터의 트랜지스터는 원자 크기만큼 작은 양자 규모에 있습니다. 클래식 컴퓨터는 비트 0과 1을 사용하는 반면, 양자 트랜지스터는 0, 1 또는 0과 1의 혼합을 사용하여 양자 정보를 인코딩합니다.

엔지니어는 단일 원자 트랜지스터의 양자 효과를 사용하여 계산을 수행할 수 있습니다. 하지만 양자 세계에서는 상황이 그렇게 간단하지 않습니다.

양자 세계에서 입자는 "중첩 상태"의 형태로 존재합니다. 입자의 위치, 운동량 및 기타 물리적 특성은 단일 값으로 정의되지 않고 확률로 표시됩니다. 큐비트는 중첩을 통해 일반 비트보다 훨씬 복잡한 다차원 계산 데이터를 저장할 수 있습니다.

따라서 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 수천 배, 심지어 수백만 배 더 빠르며 가장 강력한 기존 컴퓨터보다 훨씬 효율적으로 계산을 수행할 것으로 예상됩니다.

그러나 다른 마법 같은 기능도 있습니다.

중첩 상태가 여러 시스템이나 원자로 확장되면 "얽힌 상태"가 발생합니다. 즉, 큐비트가 서로 관련되어 있습니다. 큐비트가 얽히면 그 변화가 서로 영향을 미칩니다. 이 양자 효과는 암호화 분야에 응용될 것으로 예상됩니다.

그러나 동시에 이 효과는 과학자들이 사용 가능한 양자 컴퓨터를 만드는 데 어려움을 겪기도 합니다.

결론은 양자 시스템의 확률적 특성으로 인해 오류가 발생할 가능성이 매우 높다는 것입니다. 따라서 양자 머신을 만드는 데 있어 주요 과제는 신호의 잡음을 줄이기 위해 일관성을 유지하는 것입니다. SQC 팀은 이 문제가 해결되었다고 생각합니다.

"양자 컴퓨터를 만들려면 양자 상태를 접촉하고 일관성 있고 빠르게 만들 수 있도록 원자 규모에서 작업해야 합니다."라고 SQC의 창립자이자 논문의 교신 저자인 Michelle Simmons는 말했습니다.

논문의 교신저자 Michelle Simmons

Simmons 팀은 2012년에 세계 최초의 단일 원자 트랜지스터를 만들었고 2021년에 최초의 원자 규모 집적 회로를 만들었습니다. "우리가 보고 있는 것은 다음 장치입니다. 사람들이 사용할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하려면 여전히 상업적으로 관련된 알고리즘을 해결해야 합니다. 처음 시작했을 때 우리는 무엇을 해야 할지 몰랐습니다. 그 회로에서 시연하기 위해서요."

팀은 화학식 (C2H2)n을 갖는 탄소 기반 분자 사슬인 폴리아세틸렌을 선택했습니다. 여기서 n은 반복을 의미합니다.

폴리아세틸렌 구조 다이어그램

폴리아세틸렌의 원자는 공유 결합으로 결합되어 있습니다. 단일 결합은 두 원자가 외부 전자 하나를 공유한다는 것을 의미하고, 이중 결합은 두 개의 전자를 공유한다는 것을 의미합니다. 폴리아세틸렌 사슬의 탄소 원자 사이의 단일 결합과 이중 결합의 교대 때문에 이 분자는 물리 화학 연구의 흥미로운 대상이 됩니다.

SSH(Su-Schrieffer-Heeger) 모델은 원자와 전자 사이의 상호 작용을 사용하여 화합물의 물리적, 화학적 특성을 설명하는 분자 이론의 잘 알려진 표현입니다. Simmons는 "이것은 고전 컴퓨터가 모든 상호작용을 처리할 수 있을 만큼 원자가 너무 적기 때문에 고전 컴퓨터로 해결할 수 있는 잘 알려진 문제"라고 말했습니다. "그러나 우리는 이제 양자를 사용하여 이 문제를 해결하려고 노력하고 있습니다.

탄소 원자(진한 회색)와 수소 원자(밝은 회색) 사이의 단일 결합과 이중 결합을 보여주는 폴리아세틸렌의 볼 앤 스틱 모델

그럼 SQC는 어떻게 되었나요? 팀은 그들이 한 일을 양자 장치에서 폴리아세틸렌을 시뮬레이션하는 것은 어떻습니까?

"우리는 프로세서 자체가 탄소 원자 사이의 단일 결합과 이중 결합을 시뮬레이션하도록 했습니다."라고 Simmons는 설명합니다. "우리는 실리콘 시스템 내의 화학 결합을 모방하기 위해 나노미터 미만의 정밀도로 이를 설계합니다. 연구진은 기계의 원자 트랜지스터를 사용하여 폴리아세틸렌의 공유 결합을 시뮬레이션했습니다.

SSH 이론에 따르면 폴리아세틸렌에는 "토폴로지 상태"라고 불리는 두 가지 다른 상황이 있습니다. 서로 다른 기하학적 모양 때문에 "토폴로지"라고 명명됩니다.

한 상태에서는 단일 탄소-탄소 결합에서 연결을 끊을 수 있으므로 사슬 끝에 이중 결합이 생깁니다. 또는 이중 결합을 잘라서 사슬 끝에 단일 결합을 남길 수도 있습니다. 이렇게 하면 단일 결합의 거리가 길어지기 때문에 양쪽 끝의 원자가 분리됩니다. 전류가 분자 사슬을 통과할 때 두 가지 위상 상태는 완전히 다른 동작을 나타냅니다.

이것은 이론입니다. "우리가 장치를 만들 때 우리가 보는 것이 바로 그것입니다."라고 Simmons는 말했습니다. "그래서 그것은 매우 흥미롭습니다."

멜버른 대학의 양자 컴퓨팅 수석 강사인 Charles Hill 박사도 이에 동의합니다.

"양자 기술의 가장 유망한 응용 시나리오 중 하나는 하나의 양자 시스템을 사용하여 다른 양자 시스템을 시뮬레이션하는 것입니다."라고 Hill은 말했습니다. "이 연구에서 저자는 10개의 양자점 체인을 고려하여 사용했습니다. 소위 SSH 모델을 시뮬레이션하는 것입니다. 이 시연에 사용된 양자 장치는 향후 더 크고 복잡한 양자 시스템의 시뮬레이션을 위한 길을 열어줍니다. Simmons에 따르면 "발명하고 만드는 방법을 알아내야 하는 새로운 재료를 만드는 것이 아닙니다."

"우리는 원자 나노미터 이하의 정밀도를 가지고 있습니다. 원자 자체가 실리콘 매트릭스에 있기 때문에 우리는 이미 반도체 산업에서 사용되는 재료로 시스템을 구축하고 있습니다." "전체 장치에는 인과 실리콘이라는 두 종류의 원자만 있습니다. 인터페이스, 유전체, 다른 아키텍처에서 문제를 일으키는 모든 것을 제거했습니다. 개념적으로 간단합니다. 하지만 만들기는 쉽지 않습니다. 아름답고 깨끗하며 물리적이며 확장 가능한 시스템입니다. "

"원자를 올바른 위치에 배치하는 것이 문제였으며 이를 알아내는 데 10년이 걸렸습니다. 인 원자를 실리콘 매트릭스에 넣고 이를 보호하는 화학적 공정을 주사 터널링 현미경(STM)이라고 합니다. 이는 실리콘 플레이트를 진공 상태에 두는 포토리소그래피 도구입니다. 그 후 팀은 먼저 기판을 1100°로 가열했습니다. 그런 다음 약 350°C까지 점차 냉각하여 평평한 2차원 실리콘 표면을 형성합니다. 그런 다음 실리콘은 수소 원자로 덮여 있으며 STM 팁을 사용하여 선택적이고 개별적으로 제거할 수 있습니다. 전체가 다른 실리콘 층으로 덮이기 전에 인 원자는 수소 원자 층의 새로 형성된 틈에 배치됩니다.

원자 규모로 모델링된 SQC 양자 장치

"즉, 한 번에 하나의 장치만 만들 수 있다는 의미입니다." Simmons가 인정했습니다. "하지만 스위스 시계처럼 생각하면 매우 유용할 수 있습니다. 정밀도에는 수작업이 필요합니다. 내 요점은 확장 가능한 시스템을 만들려면 이런 종류의 정밀도가 필요하며, 정밀도가 충분하지 않으면 자신이 무엇을 가지고 있는지 모르기 때문에 양자 상태를 구축하는 데 어려움을 겪는다는 것입니다. 예, 속도는 느리지만 무엇을 기대해야 할지 알 것입니다." 일단 장치가 구축되면 연구팀이 선택한 알고리즘은 "역사적 중요성"을 갖게 될 것입니다.

"아날로그 알고리즘은 1950년대부터 Richard Feynman의 꿈이었습니다."라고 Simmons는 설명합니다. "자연이 어떻게 작동하는지 이해하려면 그 길이 규모로 자연을 구축해야 합니다. 탄소 분자의 단일 결합과 이중 결합을 나노미터 미만의 정확도로 모델링할 수 있습니까? 실제로 우리는 단일 원자를 사용하여 시뮬레이션하는 대신 연구팀은 탄소 원자 25개를 사용하여 링크를 따라 전자의 흐름을 제어할 수 있음을 발견했습니다.

"그러므로 개별 및 로컬 제어와 확장된 제어 기능이 있습니다"라고 Simmons는 말했습니다. "우리는 10-포인트 링크가 6개의 전극만으로 구현될 수 있음을 보여주었습니다. 그래서 실제 포인트 수보다 전극 수가 훨씬 적습니다. 이는 스케일링에 매우 유용합니다. 근본적으로 양자 컴퓨터에서는 전극이 필요 없기 때문입니다. 활성 구성 요소의 경우 항상 더 적은 수의 게이트를 구축하려고 합니다. 그렇지 않으면 확장성이 떨어집니다." 새로운 장치는 SSH 이론을 준수할 뿐만 아니라 Simmons는 양자 컴퓨터가 곧 현재의 최적 이론을 넘어서 시뮬레이션을 시작할 것이라고 믿습니다. 문제. 그녀는 “우리가 이전에 상상하지 못했던 일, 두렵기도 하고 흥미진진한 일의 문을 열어준다”고 말했다.

이 장치에는 다른 양자 컴퓨터와 유사한 단점이 있습니다. 특히 작동 온도를 절대 영도에 가깝게 유지하려면 거대한 냉각 시스템이 필요하며, 이는 많은 에너지와 비용이 필요합니다.

상업적 기밀로 인해 Simmons는 초기 프레젠테이션 이후 SQC가 진행 중인 프로젝트에 대해 입을 다물고 있습니다. 하지만 그녀는 "우리는 이를 가능한 한 많은 다른 것들에 적용하고 우리가 발견한 것을 확인하고 싶습니다."라고 말합니다. "

Nature 논문 뒤에 있는 SQC 팀

"우리가 전체 링크에 걸쳐 일관되게 전자를 얻을 수 있다는 사실은 이것이 매우 양자 일관성 있는 시스템임을 말해줍니다. 그녀는 "물리적 시스템이 매우 안정적이라는 확신을 갖고 있다"며 "시스템이 다양한 경로로 갈 수 있다는 것은 시스템의 순수성을 입증하는 것"이라고 말했다. "더 큰 물리적 시스템을 만드는 것은 확실히 충전 상태 대신 스핀 상태를 관찰하는 것 중 하나입니다." 또 다른 문제입니다." Simmons는 이 작업을 양자 물리학자, 화학자, 엔지니어 및 소프트웨어 엔지니어가 모두 참여하는 학제간 성격을 보여주는 "여행"이라고 설명합니다. “이것은 젊은이들에게 흥미로운 분야입니다.”라고 그녀는 말했습니다. "기초과학 연구 프로젝트가 실용적인 도구로 진화한 사례입니다."

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