양자 연산 순간이동, 모듈형 양자 컴퓨터로 분산 컴퓨팅 첫 번째 시연
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-02-06 16:50:57
4분 읽기
- 양자 논리 게이트가 2m 거리로 "순간이동"
- 개별 양자 프로세서를 하나의 완벽하게 연결된 양자 컴퓨터로 결합
- 모듈식 양자 컴퓨팅 전략은 미래 양자 인터넷의 기반을 형성
양자 컴퓨터가 널리 사용되려면 훨씬 더 커져야 한다. 이온이나 초전도 양자점으로 만들어진 1천 개의 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터가 이미 존재한다. 그러나 연구자들은 미래의 양자 컴퓨터가 일상생활에 적합하고 보편적으로 적용되려면 수백만 개의 큐비트가 필요할 것으로 추정한다. 하지만 양자 프로세서가 포함하는 큐비트가 많을수록 불안정해지고 오류가 발생하기 쉽다. 따라서 특별한 보정 방법이 필요하다.
모듈식 구조의 확장
확장성 문제는 모듈형 양자 컴퓨터를 사용하면 피할 수 있다. "이러한 각 모듈은 비교적 적은 수의 큐비트만 포함하고 있지만, 이들은 고전적 및 양자 물리적 채널을 통해 서로 결합돼 있다"고 옥스포드 대학의 Dougal Main과 그의 동료들이 설명했다. 결과적으로 개별 양자 모듈은 비교적 안정적으로 유지되고, 결합된 전체 모듈은 여전히 더 큰 양자 알고리즘을 실행할 수 있다. 이는 기존 컴퓨터의 분산 컴퓨팅과 유사하다.
메인과 그의 팀은 이제 분산형 양자 컴퓨팅을 향한 첫걸음을 내디뎠다. 그들은 모듈 전체에 걸쳐 양자 알고리즘을 풀 수 있는 방식으로 큐비트 모듈을 연결했다. 각 모듈은 이온 형태의 두 개의 큐비트로 구성된다. 물리학자들이 설명했듯이, 첫 번째 이온인 칼슘 이온은 "회로" 큐비트 역할을 하며 동시에 추가 큐비트 역할도 한다. 두 번째 이온인 스트론튬 이온은 네트워크 큐비트 역할을 한다. 이는 광섬유를 통해 두 번째 모듈의 네트워크 큐비트에 연결된다.
1개의 양자 게이트, 2개의 모듈
분산 컴퓨팅은 양자 물리학을 사용해 두 모듈의 네트워크 큐비트를 얽히는 것으로 시작된다. 각 큐비트에 결합된 광자는 이러한 결합을 위한 중재자 역할을 한다. "얽힘이 확립된 후, 각 모듈은 이제 네트워크와 회로 큐비트 사이에 제어된 Z-양자 게이트(CZ)를 생성한다"고 Main과 그의 동료들은 설명했다. 이러한 CZ 게이트는 디지털 1의 부호만 반전시키고 0은 변경되지 않는다.
하이라이트는 두 모듈의 얽힘이 양자 게이트가 "텔레포트"되도록 보장한다는 것이다. 즉, 두 모듈의 큐비트 컴퓨팅 작업은 본질적으로 동일한 게이트에서 실행된다. Main은 "이 획기적인 기술을 통해 개별 양자 프로세서를 하나의 완벽하게 연결된 양자 컴퓨터로 결합할 수 있게 되었다"고 말했다.
실제로, 두 모듈의 큐비트는 각각 양자 연산을 수행하며, 이러한 연산은 두 모듈 사이에서 교환되는 양자 정보를 통해서만 완료된다. Main은 "이런 방식으로 우리는 별도의 양자 컴퓨터에서 큐비트를 사용하여 논리적 양자 게이트를 수행할 수 있다"고 설명했다.
테스트 케이스로서의 양자 알고리즘
양자 모듈이 실제로 서로 계산을 한다는 것을 증명하기 위해 물리학자들은 모듈 컴퓨터에 양자 알고리즘을 실행시켰다. 그로버(Grover)-알고리즘이라고 불리는 이 알고리즘은 정렬되지 않은 데이터베이스에서 특정 항목을 찾는 데 사용된다. 일반적으로 양자 컴퓨터는 양자 물리적 중첩으로 가속화된 병렬 컴퓨팅 방식을 사용하기 때문에 기존 컴퓨터보다 이러한 작업을 훨씬 빠르게 해결할 수 있다.
Main은 "저희가 아는 한, 이는 분산 양자 컴퓨터에서 알고리즘을 실행한 첫 번째 사례다"며 "이전의 양자 순간이동 실험에서는 이미 물리적으로 분리된 시스템 간에 양자 상태를 교환했다. 하지만 우리 연구에서는 양자 순간이동을 사용하여 이들 분리된 모듈 간에 실제 상호작용을 만들어냈다"고 말했다.
연구팀에 따르면, 이러한 분산 컴퓨팅은 미래에 더 강력하고 더 큰 양자 컴퓨터를 개발하는 길을 열어줄 수 있다고 한다. 옥스퍼드 대학의 수석 저자인 데이비드 루카스는 "우리의 실험은 오늘날의 기술로도 네트워크에 분산된 양자 정보를 처리하는 것이 이미 가능하다는 것을 보여준다"고 말했다. 모듈식 양자 컴퓨팅 전략은 미래 양자 인터넷의 기반을 형성할 수 있다. (Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-024-08404-x)
출처: University of Oxford
- 양자 논리 게이트가 2m 거리로 "순간이동"
- 개별 양자 프로세서를 하나의 완벽하게 연결된 양자 컴퓨터로 결합
- 모듈식 양자 컴퓨팅 전략은 미래 양자 인터넷의 기반을 형성
물리학자들이 양자 연산을 순간이동 시켰다.
모듈형 양자 컴퓨터에서 분산 컴퓨팅의 첫 번째 시연
공유 양자 게이트:
물리학자들은 최초로 두 대의 양자 컴퓨터를 결합해 양자 문제를 함께 해결할 수 있었다. 양자 논리 게이트가 2m 거리로 "순간이동"되었다. 해당 팀은 Nature에 이를 보고하면서 분산형 양자 컴퓨팅의 첫 번째 시연이라고 밝혔다. 이 실험에서는 얽힌 광자가 중개자 역할을 하며 양자 정보의 즉각적인 전송을 가능하게 했다. 이러한 접근 방식은 향후 양자 컴퓨터의 확장을 단순화할 수 있다.
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| ▲ 물리학자들은 양자 컴퓨터를 사용해 분산형 모듈식 컴퓨팅을 처음으로 시연했다. © Oxford University Physics/ Helen Hainzer |
양자 컴퓨터가 널리 사용되려면 훨씬 더 커져야 한다. 이온이나 초전도 양자점으로 만들어진 1천 개의 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터가 이미 존재한다. 그러나 연구자들은 미래의 양자 컴퓨터가 일상생활에 적합하고 보편적으로 적용되려면 수백만 개의 큐비트가 필요할 것으로 추정한다. 하지만 양자 프로세서가 포함하는 큐비트가 많을수록 불안정해지고 오류가 발생하기 쉽다. 따라서 특별한 보정 방법이 필요하다.
모듈식 구조의 확장
확장성 문제는 모듈형 양자 컴퓨터를 사용하면 피할 수 있다. "이러한 각 모듈은 비교적 적은 수의 큐비트만 포함하고 있지만, 이들은 고전적 및 양자 물리적 채널을 통해 서로 결합돼 있다"고 옥스포드 대학의 Dougal Main과 그의 동료들이 설명했다. 결과적으로 개별 양자 모듈은 비교적 안정적으로 유지되고, 결합된 전체 모듈은 여전히 더 큰 양자 알고리즘을 실행할 수 있다. 이는 기존 컴퓨터의 분산 컴퓨팅과 유사하다.
메인과 그의 팀은 이제 분산형 양자 컴퓨팅을 향한 첫걸음을 내디뎠다. 그들은 모듈 전체에 걸쳐 양자 알고리즘을 풀 수 있는 방식으로 큐비트 모듈을 연결했다. 각 모듈은 이온 형태의 두 개의 큐비트로 구성된다. 물리학자들이 설명했듯이, 첫 번째 이온인 칼슘 이온은 "회로" 큐비트 역할을 하며 동시에 추가 큐비트 역할도 한다. 두 번째 이온인 스트론튬 이온은 네트워크 큐비트 역할을 한다. 이는 광섬유를 통해 두 번째 모듈의 네트워크 큐비트에 연결된다.
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| ▲ a, 광자적으로 상호 연결된 모듈을 포함하는 DQC 아키텍처의 개략도. 얽힘은 빔 분할기의 광자 간섭을 통해 네트워크 큐비트 간에 발생한다. 광자 스위치보드는 유연하고 재구성 가능한 네트워크 토폴로지를 제공한다. b, 모듈은 최소한 하나의 네트워크 큐비트(보라색)와 최소한 하나의 회로 큐비트(주황색)로 구성되며, 이는 로컬 연산을 통해 직접 상호 작용할 수 있다. QGT는 별도의 모듈에서 회로 큐비트 간의 비로컬 게이트 상호 작용(분홍색)을 중재한다. 이러한 프로토콜에는 공유 얽힘, 로컬 연산 및 고전적 통신 리소스가 필요하다. c, 단일의 완전히 연결된 양자 컴퓨터로 함께 작동하는 소형 양자 처리 모듈 네트워크에 분산된 양자 회로. (출처:관련논문 Open access / Published: 05 February 2025 Distributed quantum computing across an optical network link/ nature) |
1개의 양자 게이트, 2개의 모듈
분산 컴퓨팅은 양자 물리학을 사용해 두 모듈의 네트워크 큐비트를 얽히는 것으로 시작된다. 각 큐비트에 결합된 광자는 이러한 결합을 위한 중재자 역할을 한다. "얽힘이 확립된 후, 각 모듈은 이제 네트워크와 회로 큐비트 사이에 제어된 Z-양자 게이트(CZ)를 생성한다"고 Main과 그의 동료들은 설명했다. 이러한 CZ 게이트는 디지털 1의 부호만 반전시키고 0은 변경되지 않는다.
하이라이트는 두 모듈의 얽힘이 양자 게이트가 "텔레포트"되도록 보장한다는 것이다. 즉, 두 모듈의 큐비트 컴퓨팅 작업은 본질적으로 동일한 게이트에서 실행된다. Main은 "이 획기적인 기술을 통해 개별 양자 프로세서를 하나의 완벽하게 연결된 양자 컴퓨터로 결합할 수 있게 되었다"고 말했다.
실제로, 두 모듈의 큐비트는 각각 양자 연산을 수행하며, 이러한 연산은 두 모듈 사이에서 교환되는 양자 정보를 통해서만 완료된다. Main은 "이런 방식으로 우리는 별도의 양자 컴퓨터에서 큐비트를 사용하여 논리적 양자 게이트를 수행할 수 있다"고 설명했다.
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| ▲ 각각 두 개의 이온으로 구성된 두 개의 공간적으로 분리된 양자 모듈을 사용하여 실험을 설정했다. © Main et al./ Nature, CC-by 4.0 |
테스트 케이스로서의 양자 알고리즘
양자 모듈이 실제로 서로 계산을 한다는 것을 증명하기 위해 물리학자들은 모듈 컴퓨터에 양자 알고리즘을 실행시켰다. 그로버(Grover)-알고리즘이라고 불리는 이 알고리즘은 정렬되지 않은 데이터베이스에서 특정 항목을 찾는 데 사용된다. 일반적으로 양자 컴퓨터는 양자 물리적 중첩으로 가속화된 병렬 컴퓨팅 방식을 사용하기 때문에 기존 컴퓨터보다 이러한 작업을 훨씬 빠르게 해결할 수 있다.
Main은 "저희가 아는 한, 이는 분산 양자 컴퓨터에서 알고리즘을 실행한 첫 번째 사례다"며 "이전의 양자 순간이동 실험에서는 이미 물리적으로 분리된 시스템 간에 양자 상태를 교환했다. 하지만 우리 연구에서는 양자 순간이동을 사용하여 이들 분리된 모듈 간에 실제 상호작용을 만들어냈다"고 말했다.
연구팀에 따르면, 이러한 분산 컴퓨팅은 미래에 더 강력하고 더 큰 양자 컴퓨터를 개발하는 길을 열어줄 수 있다고 한다. 옥스퍼드 대학의 수석 저자인 데이비드 루카스는 "우리의 실험은 오늘날의 기술로도 네트워크에 분산된 양자 정보를 처리하는 것이 이미 가능하다는 것을 보여준다"고 말했다. 모듈식 양자 컴퓨팅 전략은 미래 양자 인터넷의 기반을 형성할 수 있다. (Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-024-08404-x)
출처: University of Oxford
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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