세계에서 가장 작은 양자 컴퓨터 개발
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-10-31 21:24:07
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- 대만 칭화대,처음으로 단 하나의 광자를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 개발에 성공
- 이 광학 양자 컴퓨터는 쇼어(Shor) 알고리즘을 사용해 숫자를 소수로 분해
- 다차원 광자는 컴퓨터 기반으로 제어하기가 더 쉽다
- 전기광학 변조기의 도움으로 광자 하나에 5천 개 이상의 "시간 컨테이너"를 각인 가능
- 일반적인 양자 컴퓨터와 달리 1광자 양자 컴퓨터는 냉각이 필요하지 않다.
광자는 오랫동안 양자 물리학에서 유용한 도우미였다. 광자는 광섬유나 레이저 빔을 사용해 쉽게 생성, 얽힘 및 전송될 수 있다. 그러나 양자 비트를 사용한 컴퓨팅의 경우 지금까지 다른 입자가 주도권을 잡았다. 일반적인 양자 컴퓨터의 큐비트는 일반적으로 초전도 양자점 또는 레이저 트랩에 갇힌 원자와 이온으로 구성된다.
그러나 단점은 일관성을 즉시 잃지 않도록 큐비트를 크게 냉각해야 한다는 것이다. 또한 외부 간섭에 매우 민감하게 반응한다. 광자는 다르다. 얽힌 경우에도 빛 입자는 간섭에 대해 상대적으로 견고하며 냉각이 필요하지 않다. 따라서 장거리 전송도 가능하다.
32개의 저장 옵션을 갖춘 Photon
이제 연구자들은 처음으로 단 하나의 광자를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 개발에 성공했다. 이는 세계에서 가장 작은 양자 컴퓨터다. 이 컴퓨터의 전체 기술은 신발 상자에 들어가며 냉각이 필요하지 않다. 대만 칭화대학교 Hao-Cheng Weng과 Chih-Sung Chuu는 "우리의 연구는 복잡한 양자 작업에서도 이러한 고차원 양자 시스템의 엄청난 정보 처리 능력을 보여준다"고 말했다.
광학 1광자 양자 컴퓨터의 핵심은 물리학자들이 다양한 도파관과 광섬유 링을 사용하여 다양한 시간 의존 상태에 넣을 수 있는 빛 입자다. 편광 방향이나 위상과 유사하게 이러한 시간적 상태는 데이터가 인코딩되고 저장될 수 있는 추가 차원을 나타낸다. 물리학자들은 “이 고차원 상태는 단일 광자의 파동 패킷을 변조함으로써 달성된다”고 설명했다.
그 결과 32가지 상태를 갖는 광자가 탄생하므로 데이터 처리 및 저장 가능성이 32가지가 된다. Weng과 Chuu는 “32개 시간 상자 또는 차원에서 시간적으로 늘어난 광자에 정보를 인코딩하는 것은 기록적인 일이다. 단일 광자에서 이렇게 많은 것이 실현된 적은 이전에 없었다”고 말했다. 그들은 이것을 자전거를 버스로 바꾸는 것과 비교했다. 이제 이 버스는 한 명이 아닌 32명을 태운다.
Photon은 Shor 알고리즘을 사용하여 소수를 분해
물리학자들은 “이러한 다차원 광자가 양자 알고리즘을 구현하는 데 사용된 것은 세계 최초”라고 썼다. 표적화된 광학 조작을 통해 개별 광자는 정보를 전송할 수 있을 뿐만 아니라 산술 연산도 수행할 수 있기 때문이다. 실험에서 연구원들은 무엇보다도 광자 상태에 두 개의 CNOT 논리 게이트를 구현했다.
1광자 계산기의 계산 능력에 대한 증거로 Weng과 Chuu는 양자 컴퓨터가 소수를 인수분해할 수 있게 하는 양자 연산인 Shor의 알고리즘을 실행했다. 테스트에서 1광자 양자 컴퓨터는 무엇보다도 숫자 15를 소수 인자 5와 3으로 분해하는 데 성공했다. Weng과 Chuu는 "우리는 단일 광자를 사용하여 Shor 알고리즘의 컴파일된 버전을 구현했다"고 말했다.
광학 양자 컴퓨터의 새로운 가능성
두 물리학자에 따르면 그들의 기술은 광학 양자 컴퓨팅을 발전시킬 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 많은 광자로 구성된 레이저 펄스를 사용했던 일부 이전 접근 방식과 달리 다차원 광자는 컴퓨터 기반으로 제어하기가 더 쉽다. 상업적으로 이용 가능한 전기광학 변조기의 도움으로 광자 하나에 5,000개 이상의 "시간 컨테이너"를 각인하는 것이 이미 가능하다.
두 물리학자의 다음 목표는 1광자 컴퓨터의 정보 용량을 더욱 늘리는 것이다. 그런 다음 그들은 단 하나의 가벼운 입자로 훨씬 더 복잡한 양자 작업을 완료하려고 한다.
(Physical Review Applied, 2024; doi: 10.1103/PhysRevApplied.22.034003)
출처: Physical Review Applied, National Tsing Hua University
- 대만 칭화대,처음으로 단 하나의 광자를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 개발에 성공
- 이 광학 양자 컴퓨터는 쇼어(Shor) 알고리즘을 사용해 숫자를 소수로 분해
- 다차원 광자는 컴퓨터 기반으로 제어하기가 더 쉽다
- 전기광학 변조기의 도움으로 광자 하나에 5천 개 이상의 "시간 컨테이너"를 각인 가능
- 일반적인 양자 컴퓨터와 달리 1광자 양자 컴퓨터는 냉각이 필요하지 않다.
세계에서 가장 작은 양자 컴퓨터 개발
단 하나의 광자에서 나온 광학 컴퓨터로 소수 분해 달성
컴퓨터로서의 빛 입자:
대만의 연구원들은 단 하나의 광자를 기반으로 하는 컴퓨터를 개발했다. 이는 세계에서 가장 작은 양자 컴퓨터이다. 그런데도 이 광학 양자 컴퓨터는 쇼어(Shor) 알고리즘을 사용해 숫자를 소수로 분해하는 등 복잡한 수학적 작업을 해결할 수 있다. 이는 광자가 데이터를 처리하고 저장할 수 있는 광학 모드 형태로 32차원을 갖고 있기 때문에 가능하다. 일반적인 양자 컴퓨터와 달리 1광자 양자 컴퓨터는 냉각이 필요하지 않다.
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| ▲ 단일 광자 양자 컴퓨터의 전체 기술이 이 상자에 들어간다. © National Tsing Hua University |
광자는 오랫동안 양자 물리학에서 유용한 도우미였다. 광자는 광섬유나 레이저 빔을 사용해 쉽게 생성, 얽힘 및 전송될 수 있다. 그러나 양자 비트를 사용한 컴퓨팅의 경우 지금까지 다른 입자가 주도권을 잡았다. 일반적인 양자 컴퓨터의 큐비트는 일반적으로 초전도 양자점 또는 레이저 트랩에 갇힌 원자와 이온으로 구성된다.
그러나 단점은 일관성을 즉시 잃지 않도록 큐비트를 크게 냉각해야 한다는 것이다. 또한 외부 간섭에 매우 민감하게 반응한다. 광자는 다르다. 얽힌 경우에도 빛 입자는 간섭에 대해 상대적으로 견고하며 냉각이 필요하지 않다. 따라서 장거리 전송도 가능하다.
32개의 저장 옵션을 갖춘 Photon
이제 연구자들은 처음으로 단 하나의 광자를 기반으로 하는 양자 컴퓨터 개발에 성공했다. 이는 세계에서 가장 작은 양자 컴퓨터다. 이 컴퓨터의 전체 기술은 신발 상자에 들어가며 냉각이 필요하지 않다. 대만 칭화대학교 Hao-Cheng Weng과 Chih-Sung Chuu는 "우리의 연구는 복잡한 양자 작업에서도 이러한 고차원 양자 시스템의 엄청난 정보 처리 능력을 보여준다"고 말했다.
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| ▲ 물리학자들은 각각 두 가지 상태를 갖는 여러 개의 광자를 사용하는 대신 광자에게 32개의 서로 다른 "차원"을 부여했다. 이를 통해 더 많은 정보를 인코딩할 수 있다. © National Tsing Hua University |
광학 1광자 양자 컴퓨터의 핵심은 물리학자들이 다양한 도파관과 광섬유 링을 사용하여 다양한 시간 의존 상태에 넣을 수 있는 빛 입자다. 편광 방향이나 위상과 유사하게 이러한 시간적 상태는 데이터가 인코딩되고 저장될 수 있는 추가 차원을 나타낸다. 물리학자들은 “이 고차원 상태는 단일 광자의 파동 패킷을 변조함으로써 달성된다”고 설명했다.
그 결과 32가지 상태를 갖는 광자가 탄생하므로 데이터 처리 및 저장 가능성이 32가지가 된다. Weng과 Chuu는 “32개 시간 상자 또는 차원에서 시간적으로 늘어난 광자에 정보를 인코딩하는 것은 기록적인 일이다. 단일 광자에서 이렇게 많은 것이 실현된 적은 이전에 없었다”고 말했다. 그들은 이것을 자전거를 버스로 바꾸는 것과 비교했다. 이제 이 버스는 한 명이 아닌 32명을 태운다.
Photon은 Shor 알고리즘을 사용하여 소수를 분해
물리학자들은 “이러한 다차원 광자가 양자 알고리즘을 구현하는 데 사용된 것은 세계 최초”라고 썼다. 표적화된 광학 조작을 통해 개별 광자는 정보를 전송할 수 있을 뿐만 아니라 산술 연산도 수행할 수 있기 때문이다. 실험에서 연구원들은 무엇보다도 광자 상태에 두 개의 CNOT 논리 게이트를 구현했다.
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| ▲ 단일 광자에서 쇼어 알고리즘을 구현하는 실험적 설정. 모노리식 PPKTP 결정은 775nm에서 주파수 잠금 CW 레이저로 펌핑되어 II형 위상 매칭 바이포톤을 생성한다. 반파장판(HWP)은 펌프 편광을 결정에 맞춘다. 한 쌍의 렌즈를 사용하여 펌프 빔을 결정에 집중시킨다. 롱패스 필터(LPF)를 배치하여 펌프를 필터링한다. 편광 빔 분할기(PBS)가 생성된 바이포톤을 분할한 후, 1550nm의 단일 광자가 쇼어 알고리즘을 구현하기 위해 광섬유 기반 간섭계로 전송된다. 여기서 AEOM, Pol. EOM 및 SPD는 각각 전기 광학 진폭 변조기, 전기 광학 편광 변조기(스위치) 및 단일 광자 검출기(15% 양자 효율, 150ps 타이밍 분해능)를 의미한다. 단일 광자를 지연시키는 데 200ns 광학 지연이 사용된다. (출처:관련논문 Implementation of Shor’s algorithm with a single photon in 32 dimensions / Published 3 September 2024) |
1광자 계산기의 계산 능력에 대한 증거로 Weng과 Chuu는 양자 컴퓨터가 소수를 인수분해할 수 있게 하는 양자 연산인 Shor의 알고리즘을 실행했다. 테스트에서 1광자 양자 컴퓨터는 무엇보다도 숫자 15를 소수 인자 5와 3으로 분해하는 데 성공했다. Weng과 Chuu는 "우리는 단일 광자를 사용하여 Shor 알고리즘의 컴파일된 버전을 구현했다"고 말했다.
광학 양자 컴퓨터의 새로운 가능성
두 물리학자에 따르면 그들의 기술은 광학 양자 컴퓨팅을 발전시킬 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 많은 광자로 구성된 레이저 펄스를 사용했던 일부 이전 접근 방식과 달리 다차원 광자는 컴퓨터 기반으로 제어하기가 더 쉽다. 상업적으로 이용 가능한 전기광학 변조기의 도움으로 광자 하나에 5,000개 이상의 "시간 컨테이너"를 각인하는 것이 이미 가능하다.
두 물리학자의 다음 목표는 1광자 컴퓨터의 정보 용량을 더욱 늘리는 것이다. 그런 다음 그들은 단 하나의 가벼운 입자로 훨씬 더 복잡한 양자 작업을 완료하려고 한다.
(Physical Review Applied, 2024; doi: 10.1103/PhysRevApplied.22.034003)
출처: Physical Review Applied, National Tsing Hua University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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