양자 역학 효과를 사용하여 정보를 처리하는 컴퓨팅 시스템인 양자 컴퓨터는 일부 계산 작업에서 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어날 수 있습니다. 이러한 컴퓨터는 중첩 및 얽힘으로 알려진 양자 효과로 인해 여러 상태(0, 1 또는 동시에 둘 다)로 존재할 수 있는 양자 정보의 기본 단위인 큐비트에 의존합니다.
최근 몇 년 동안 개발된 양자 컴퓨터의 대부분은 극히 낮은 온도에서 전기 저항이 0인 물질인 기존의 초전도체를 기반으로 합니다. 안정적으로 작동하고 초전도성을 나타내려면 이러한 재료를 기반으로 한 회로를 밀리켈빈 온도까지 냉각해야 합니다.
양자 컴퓨터에서 각 큐비트에는 일반적으로 자체 제어 라인이 필요합니다. 이는 엔지니어가 전기 펄스(즉, 신호 라인)를 전달하는 여러 와이어를 도입해야 하며, 필요한 와이어 수가 큐비트 수에 따라 증가한다는 것을 의미합니다. 양자 컴퓨터가 더 커지면 프로세서를 구축하고 안정적으로 작동하기가 더 어려워지기 때문에 문제가 될 수 있습니다.
디지털 양자 컴퓨팅 시스템을 개발하는 회사인 Seeqc Inc.의 연구원들은 최근 훨씬 적은 배선이 필요함에도 불구하고 밀리켈빈 온도에서 안정적으로 작동할 수 있는 새로운 양자 프로세서를 출시했습니다. 이 프로세서는자연 전자는 큐비트와 해당 제어 전자 장치가 두 개의 분리되어 있지만 연결된 초전도 칩에 통합되어 있는 독특한 디자인을 가지고 있습니다.
Caleb Jorda, Jacob Bernhardt 및 동료들은 논문에서 "초전도 양자 컴퓨팅 플랫폼의 개발은 각 큐비트를 제어하려면 개별 신호 라인이 필요하기 때문에 상당한 확장 문제에 직면해 있습니다."라고 썼습니다. "이 배선 오버헤드는 실온의 제어 전자 장치와 밀리켈빈 온도에서 작동하는 큐비트 간의 낮은 통합 수준의 결과입니다. 유망한 대안은 큐비트와 공존하는 극저온 초전도 디지털 제어 전자 장치를 사용하는 것입니다."
배선 문제 극복
지금까지 대규모 양자 프로세서 개발을 방해했던 배선 문제를 극복하기 위해 이 연구팀은 새로운 멀티{1}칩 모듈을 설계했습니다. 이 모듈은 두 개의 별도 칩으로 구성됩니다. 하나는 큐비트를 호스팅하고 다른 하나는 제어 전자 장치입니다.
연구원들은 특히 작은 양자화된 자기 신호를 통해 매우 짧고 정확한 전기 펄스를 생성하는 초전도 디지털 회로인 단일 플럭스 양자 제어 전자 장치를 사용했습니다. 이러한 회로를 호스팅하는 칩은 플립-칩 본딩이라는 접근 방식을 사용하여 초전도 회로가 포함된 칩에 연결되었습니다.
이 접근 방식에서는 칩을 마주-대면- 배치한 다음 미세한 금속 범프를 통해 연결하는 방식이 필요합니다. Jorda, Bernhardt 및 동료들이 개발한 전체 멀티{3}}칩 모듈은 밀리켈빈 온도를 유지하는 극저온 설정 내에서 작동합니다.
저자는 "우리는 큐비트와 단일{0}}플럭스 양자 제어 전자 장치가 플립-칩 본딩을 통해 단일 멀티{1}}칩 모듈에 통합된 활성 양자 프로세서 장치를 제시합니다."라고 썼습니다. "우리 시스템은 디지털 역다중화를 사용하여 제어 펄스를 여러 큐비트에 분배함으로써 제어 라인의 선형 스케일링을 큐비트 수로 깨뜨립니다. 이 접근 방식을 통해 우리는 99% 이상 최대 99.9%의 단일-큐비트 충실도를 보여줍니다."
고급 양자 프로세서에 대한 새로운 접근 방식
이번 연구팀이 설계한 양자 프로세서는 기존에 선보인 여타 초전도 양자 프로세서에 비해 눈에 띄는 장점을 갖고 있다. 초기 테스트에서는 광범위한 배선 없이도 큐비트에 대한 탁월한 제어를 유지하면서 성능이 매우 뛰어난 것으로 나타났습니다.
앞으로는 새로운 디자인을 확장하여 많은 추가 큐비트를 포함하는 더 큰 양자 프로세서를 만들 수 있으며 잠재적으로 더 복잡한 계산 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 안정적으로 작동하고 확장하기 쉬운 다른 유사한 멀티{1}}칩 양자 모듈의 도입에 영감을 줄 수 있습니다.
