Walther-Meißner-Institute(발터 마이스너 연구소) Max Werninghaus
이 현상을 중첩이라고 하며, 기존 물리학의 법칙으로는 설명할 수 없습니다. 중첩은 순수한 양자 기계학적 속성이며, 양자 컴퓨터에서 어마어마한 계산이 가능한 근거이기도 합니다.
현재 진행 중인 연구는 큐비트의 기계적 구현에 초점이 맞추어져 있습니다. 특히 무손실 초전도성을 갖는 초전도 양자가 전기 회로를 사용해 전자기장을 매우 긴 반감기로 저장한다는 점은 매우 유망한 분야입니다. 공전 회로는 제어 가능한 2-상태 시스템을 효과적으로 만들도록 설계되었습니다. 이러한 회로 유형에 대한 공전 주파수는 일반적으로 마이크로파 대역인 5 GHz에 있습니다. 공전 회로의 기저 상태는 논리 상태 0이며, 1차 들뜬 상태는 논리 상태 1입니다.
추가적인 구조 없이는 이러한 두 가지 상태를 체계적으로 제어할 수 없습니다. LC 공진 회로와 같은 고조파 오실레이터에서는 인접한 두 에너지 상태 간 간격이 언제나 동일합니다(조화성). 한 가지 문제는 기저 상태에서 1차 들뜬 상태까지, 또는 임의 들뜬 상태에서 그 다음 상위 상태까지, 회로의 공진 마이크로파 신호의 이동을 제어할 수 없다는 점입니다. 비선형 인덕턴스가 조화성을 상쇄시킬 수 있습니다. 조지프슨 접합(Josphson Junction)을 이용하면 제어 가능한 큐비트로 사용할 수 있는 두 가지 다른 에너지 상태를 만들 수 있습니다. 기저 상태에서 1차 들뜬 상태로 전환될 때 해당 전환에만 특징적 주파수가 적용됩니다. 초전도 큐비트는 원자 전자 전환을 모방하는 속성으로 인해 인공 원자라도도 합니다.
양자 상태는 매우 불안정합니다. 초전도 큐비트의 작동 온도는 절대 영점에 매우 가까운 약 10밀리켈빈(약 –273 °C)입니다. 이렇게 하는 것이 열 배경 노이즈를 유지하는 유일한 방법입니다.
기존 비트는 고정 상태(A)로 작동하며 언제나 동일한 연산을 수행합니다. 일반적인 스위치와 같은 방식입니다. 큐비트의 상태는 구 표면에서의 회전으로 나타내는 제어 신호(V1)로 변경할 수 있습니다.
큐비트의 에너지 상태는 외부 마이크로파 신호로 제어할 수 있습니다. 블로흐 구(Bloch Sphere)에 이 프로세스가 나와 있습니다(그림의 오른쪽). 1 및 0 논리 상태는 블로흐 구의 북극과 남극에 위치합니다. 구 표면의 나머지 모든 점은 중접 상태에 해당합니다. 현재 상태는 상태 벡터로 표시됩니다. 공진 마이크로파 신호와 상호작용이 발생하면 블로흐 구의 상태 벡터가 회전합니다.
큐비트로 신뢰할 수 있는 컴퓨팅 연산을 수행하기 위해서는 펄스 길이, 마이크로파 신호 진폭, 제어 펄스 엔벨로프를 기반으로 이 회전을 매우 정밀하게 제어해야 합니다. 제어 펄스의 상대적 위상은 블로흐 구에서 큐비트 상태의 회전 축에 영향을 미칩니다. 동일한 위상의 펄스를 큐비트에 적용하면 상태가 언제나 예를 들어 x-축에서 회전합니다. 펄스의 위상을 90° 이동할 경우에는 상태 벡터가 y-축에서 회전합니다.
임의 파형 발생기는 안정적이고 유연한 제어 신호 소스입니다. 마이크로파 소스 및 믹서와 함께 사용할 경우 올바른 큐비트 주파수에서 올바른 펄스를 발생할 수 있습니다. 제어 펄스 위상을 실시간으로 정밀 조정하고 엔벨로프의 정확한 제어를 통해 언제든지 모든 시작점에서 블로흐 구의 원하는 타겟점에 도달할 수 있습니다.
오류 허용오차가 큰 기존 컴퓨팅 연산과 달리, 양자 컴퓨터는 제어 펄스의 정밀 교정에 의존합니다. 회전에 미세한 편차(양자 상태 회전의 1 % 이상)만 발생해도 다른 양자 연산 결과가 나올 수 있습니다. 위상 제어가 부정확할 경우에도 유사한 오류가 발생합니다. 따라서 양자 컴퓨터용 제어 기기는 위상 및 진폭 안정성이 높아야 합니다. 제어 펄스 위상은 임의 파형 발생기에 저장되어 있는 펄스의 동위상/직교 성분에 의해 조정됩니다.
나이오븀으로 만들어진 흐린 색 사각형 2개(왼쪽)는 적절한 커패시턴스를 제공하며 알루미늄 조지프슨 접합(오른쪽)을 통한 비선형 인덕턴스를 통해 연결되어 있습니다. 여기에서는 LC 회로가 만들어져 2-상태 시스템을 효과적으로 형성합니다.
양자 알고리즘과 양자 컴퓨터 실험은 복잡합니다. 둘다 복수 채널에 많은 수의 신호 위상 출력과 함께 관련 위상 안정성과 타이밍 동기화가 필요합니다. 이때 기존 제어 하드웨어를 초기화하는 동안 오래 기다려야 하는 경우가 많으며 계획한 실험의 복잡도가 궁극적으로 제한될 수 있습니다. 다수의 마이크로파 발생기 제조업체는 최근 양자 컴퓨팅 과학자와 함께 특수 기기 개발에 착수했습니다.
이러한 기기는 기존 임의 파형 발생기보다 훨씬 많은 기능을 탑재하고 있으며 이 분야의 특수 연구 요구사항 중 일부를 충족합니다. 펄스 위상은 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용해 기기에서 직접 관리할 수 있습니다. 수천 가지 연산을 이용하는 복잡한 양자 알고리즘도 관리 가능한 수준의 기본 연산들로 줄일 수 있습니다. 임의 파형 발생기에 각 양자 알고리즘에 대한 연속 신호를 저장하지 않아도 됩니다. 기본 연산 세트와 출력 시퀀스 관련 정보만 있으면 충분합니다. 양자 컴퓨터 연구를 위한 전문 임의 파형 발생기는 이미 이러한 기능을 지원하고 있습니다.
두 시스템이 큐비트와 공진 간 상호작용을 통해 서로 영향을 미칩니다(왼쪽). 큐비트 상태(청색 및 적색 곡선)에 따라, 공진 주파수 ωr가 특정 모듈러스 χ만큼 이동합니다.
양자 컴퓨터가 연산을 실행하면 큐비트의 양자 상태가 선택되고 큐비트는 판독 공진기와 결합됩니다. 큐비트와의 상호작용으로 인해 공진기의 공진 주파수가 큐비트 상태에 따라 이동합니다(그림). 공진 주파수와 가까운 판독 신호를 이용해 자극함으로써 전송 또는 반사 시 신호의 진폭 및 위상의 변화를 기준으로 양자 상태를 줄일 수 있습니다.
최신 발전된 양자 기술로 인해 관련 제어 전자 기기와 양자 하드웨어를 효과적으로 운용할 수 있게 되었습니다. 신호 분석 기능을 기기에 직접 통합함으로써 양자 알고리즘 결과를 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 고급 임의 파형 발생기를 사용하면 조립자들이 오랫동안 컴퓨터와 머신 프로그래밍에 사용해왔던 것과 같은 방식으로 양자 컴퓨터 작업을 간단히 수행할 수 있습니다. 이 경우 더욱 큰 양자 컴퓨터를 작동하는 데 필요한 수백 가지 신호를 동기화 및 조정하는 것이 주요 해결과제 중 하나입니다.
