엔지니어 팀이 머리카락 굵기만 한 광학 칩을 개발했는데, 이 칩은 훨씬 적은 전력으로 레이저 광을 정밀하게 제어할 수 있어 훨씬 더 큰 규모의 양자 컴퓨터를 구현하는 데 실질적인 길을 열어줍니다. 이 장치는 일반 칩 제조 공장에서 생산되므로 저렴하고 대량 생산이 가능합니다.
사람 머리카락보다 거의 100배 얇은 새로운 광학 칩은 오늘날 연구실 규모의 양자 컴퓨터를 수천, 심지어 수백만 개의 양자 비트를 가진 강력한 기계로 탈바꿈시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
연구진은 자신들이 개발한 초소형 장치가 다음과 같은 결과를 보였다고 보고했습니다. 출판 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표된 이 기술은 오늘날의 부피가 큰 하드웨어보다 훨씬 적은 전력을 소비하면서 레이저 광을 정밀하게 재형성할 수 있습니다. 더욱 중요한 것은, 이 기술이 일상적인 컴퓨터 칩에 사용되는 것과 동일한 대량 생산 기술로 제작되어 대량 생산이 가능하다는 점입니다.
콜로라도 볼더 대학교 전기, 컴퓨터 및 에너지 공학과 박사 과정 신입생인 제이크 프리드먼, 양자 공학 분야의 칼 구스타프슨 석좌 교수이자 교수인 맷 아이헨필드, 그리고 공동 선임 저자인 닐스 오터스트롬을 포함한 샌디아 국립 연구소의 공동 연구진이 주도한 이번 연구는 양자 컴퓨터 규모 확장의 가장 큰 병목 현상 중 하나인 빛 제어 문제를 해결합니다.
가장 유망한 양자 컴퓨터 중 상당수는 전자기장에 의해 제자리에 고정된 개별 원자 또는 이온에 정보를 저장합니다. 이러한 큐비트를 작동시키기 위해 연구원들은 레이저 빔으로 각 원자를 정밀하게 조준해야 하며, 레이저 주파수의 미세한 변화를 이용하여 양자 정보를 인코딩하고 조작해야 합니다.
본질적으로 과학자들은 주변의 원자들을 방해하지 않고 각각의 원자와 안정적으로 "소통"할 수 있어야 합니다.
프리드먼은 레이저의 약간 어긋난 복제품을 만드는 것이 그 작업의 핵심이라고 설명했습니다.
"매우 정밀하게 주파수가 다른 레이저 복제본을 새로 만드는 것은 원자 및 이온 기반 양자 컴퓨터를 다루는 데 있어 가장 중요한 도구 중 하나입니다."라고 그는 보도 자료에서 밝혔습니다. "하지만 이를 대규모로 수행하려면 새로운 주파수를 효율적으로 생성할 수 있는 기술이 필요합니다."
현재 이러한 주파수 변화는 대개 광학 벤치 위에 놓이는 대형 탁상형 전기광학 변조기를 통해 생성되며, 이 변조기는 많은 마이크로파 전력을 소모합니다. 이러한 변조기는 큐비트 수가 적은 실험에는 적합하지만, 궁극적으로 수만 또는 수십만 개의 개별 광 채널이 필요할 수 있는 시스템에는 적합하지 않습니다.
아이헨필드는 그 문제를 직설적으로 제기했다.
그는 보도자료에서 "광학 테이블로 가득 찬 창고에 100,000만 개의 대량 전기광학 변조기를 쌓아두고 양자 컴퓨터를 만들 수는 없습니다."라고 말했습니다. "수작업으로 조립하거나 긴 광 경로를 사용할 필요가 없는 훨씬 확장 가능한 제조 방식이 필요합니다. 더 나아가, 이 모든 변조기를 몇 개의 작은 마이크로칩에 담고 발열량을 100배 줄일 수 있다면, 양자 컴퓨터를 실제로 작동시킬 가능성이 훨씬 높아질 것입니다."
연구팀이 개발한 새로운 장치는 그러한 방향으로 나아가는 한 걸음입니다. 이 장치는 광 위상 변조기로, 빛의 위상, 즉 빛 파동의 마루와 골이 시간에 따라 어떻게 정렬되는지를 변화시키는 부품입니다. 이 칩은 매우 빠른 속도로 위상을 제어함으로써 단일 레이저에서 정확한 간격을 가진 새로운 주파수를 생성할 수 있습니다.
이를 위해 해당 장치는 초당 수십억 번 진동하는 마이크로파 주파수의 기계적 진동을 사용합니다. 이러한 초고속 진동은 칩을 통과하는 빛과 상호 작용하여 레이저의 위상에 제어된 변화를 가합니다. 그 결과, 양자 컴퓨팅, 양자 센싱 및 양자 네트워킹에 필수적인 높은 안정성과 효율성을 갖춘 새로운 레이저 주파수 세트가 생성됩니다.
연구진에 따르면, 그들이 개발한 위상 변조기는 시중의 많은 상용 기기보다 약 80배 적은 마이크로파 전력을 소비하면서 이러한 새로운 주파수를 생성할 수 있습니다. 전력 소비가 적다는 것은 발열이 적다는 것을 의미하며, 결과적으로 더 많은 채널을 밀집시켜 잠재적으로 단일 칩에 구현할 수 있게 됩니다.
이러한 효율성, 소형화 및 정밀성의 조합은 수천 개의 원자가 동시에 복잡한 "춤"을 추도록 조율해야 할 미래의 양자 기계에 이 기술이 유망한 이유가 됩니다.
마찬가지로 중요한 것은 이 장치가 어떻게 만들어졌는지입니다. 맞춤형 수제 부품에 의존하는 대신, 연구팀은 변조기를 일반적인 반도체 제조 시설, 흔히 "팹"이라고 불리는 곳에서 전적으로 제작했습니다.
"CMOS 제조 공정은 인류가 발명한 기술 중 가장 확장성이 뛰어난 기술입니다."라고 아이헨필드는 현대 마이크로프로세서와 메모리 칩을 만드는 데 사용되는 공정을 언급하며 덧붙였습니다. "모든 휴대폰이나 컴퓨터에 있는 모든 마이크로 전자 칩에는 수십억 개의 본질적으로 동일한 트랜지스터가 있습니다. 따라서 CMOS 제조 공정을 사용하면 미래에는 수천, 심지어 수백만 개의 동일한 광자 장치를 생산할 수 있으며, 이것이 바로 양자 컴퓨팅에 필요한 것입니다."
오터스톰에 따르면, 이 연구는 한때 비싸고 전력 소모가 많으며 부피가 컸던 장치들을 더욱 효율적이고 소형화하는 것을 목표로 합니다. 그는 이러한 변화를 광 기반 기술의 전환점이라고 설명했습니다.
"저희는 광학 분야를 '트랜지스터 혁명'으로 이끌어, 진공관과 같은 광학 소자에서 벗어나 확장 가능한 집적 광자 기술로 나아가도록 돕고 있습니다."라고 오터스톰은 덧붙였습니다.
장기적으로 볼 때, 광학 분야에서 이와 같은 "트랜지스터 혁명"은 20세기 집적 회로가 고전 컴퓨팅에 미친 영향과 유사하게 양자 하드웨어에 혁신을 가져올 수 있습니다. 즉, 방 크기만 한 시스템을 칩으로 축소하고, 이를 저렴하고 안정적으로 만들어 널리 보급할 수 있도록 하는 것입니다.
연구팀은 이미 다음 단계에 착수했습니다. 주파수 생성, 필터링, 펄스 성형 등 여러 핵심 기능을 하나의 칩에 통합한 완전 통합형 광자 회로를 개발하고 있습니다. 이를 통해 양자 컴퓨터를 위한 완벽하고 바로 사용 가능한 광 제어 플랫폼에 한 걸음 더 다가설 수 있을 것입니다.
다음으로 연구진은 양자 컴퓨팅 회사들과 협력하여 최첨단 이온 포획 및 중성 원자 포획 시스템 내에서 이러한 칩의 여러 버전을 테스트할 계획입니다. 이러한 협력을 통해 새로운 변조기가 실제 환경에서 어떻게 작동하는지, 그리고 어떤 개선이 필요한지 파악할 수 있을 것입니다.
프리드먼은 이 장치를 실용적인 대규모 양자 컴퓨터로 가는 길에 있어 중요한 이정표로 보고 있다.
그는 "이 장치는 퍼즐의 마지막 조각 중 하나입니다."라고 덧붙이며, "우리는 매우 많은 수의 큐비트를 제어할 수 있는 진정으로 확장 가능한 광자 플랫폼에 거의 근접했습니다."라고 말했습니다.
출처: 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스