고전적인 컴퓨터에서는, 전선이 계산하는 동안 프로세서를 통해 정보를 앞뒤로 라우팅 하는데 사용된다. 양자 컴퓨터에서는 정보 자체가 양자역학적이고 취약하기 때문에 정보를 동시에 처리하고 소통하는 새로운 전략이 필요하다.

마이크로파 전송 라인에 연결된 초전도 양자 비트를 사용하는 MIT 연구팀은 큐빗이 양자 프로세서 사이의 통신에 필요한 큐빗(qubit) 또는 빛의 입자를 온디맨드 방식으로 생성하는 방법을 개발했다고 지난 7일(현지시간) 발표했다. 이러한 기술의 진보는 모듈형 양자 컴퓨팅 시스템이 고전 컴퓨터가 달성할 수 있는 속도보다 기하급수적으로 빠른 속도로 작동할 수 있는 상호 연결을 달성하기 위한 중요한 단계이다.

MIT 링컨연구소 연구원 및 양자공학센터 소장이자 MIT 전자연구소 부소장인 윌리엄 올리버(William Oliver)는 "초전도 큐빗은 오늘날 선도적인 기술이지만 일반적으로 국지적 상호작용(가장 가까운 이웃 또는 큐빗)만을 지원한다. 문제는 먼 곳에 있는 큐빗에 어떻게 연결하느냐 하는 것이다"라며, "우리는 양자 정보를 한 장소에서 다른 장소로 안내할 수 있는 마이크로파 도파관을 기반으로 하는 양자 상호연결이 필요합니다"라고 말했다.

이러한 통신은 큐빗에 저장된 여기(Excitation)가 광자 쌍을 생성하여 도파관으로 방출된 다음 두 개의 먼 처리 노드로 이동하기 때문에 마이크로파 전송선 또는 도파관을 통해 발생할 수 있다. 동일한 광자는 하나의 시스템으로 작용하면서 ‘얽혀있다(Entangled)’고 한다. 원거리 처리 노드로 이동하면서, 그들은 그 얽힘을 양자 네트워크 전체에 분산시킬 수 있다.

또한 올리버는“우리는 큐빗을 사용하여 필요에 따라 뒤엉킨 광자를 생성하고, 그 뒤 얽힌 상태를 매우 높은 효율, 본질적으로 단결성으로 도파관에 방출합니다"라고 덧붙였다.

이 작업은 광자 방출체 역할을 하는 도파관과 몇 큐빗만 사용해 매우 단순한 방식으로 공간적으로 얽힌 광자를 생성하기 위한 새로운 구조를 제시하는 것으로 광자 사이의 얽힘은 양자 통신이나 상호 접속 프로토콜에 사용하기 위해 프로세서에 전달될 수 있다.

연구팀은 아직 그러한 통신 규약을 시행하지 않았다고 말했지만, 양자통신과 상호연결에 유용한 광자를 어떻게 생산할 수 있는지를 보여준 것으로 현재, 진행 중인 연구는 그러한 방향을 목표로 하고 있다고 밝혔다.

연구팀의 이전 연구는 본질적으로 인공 거대 원자의 일종인 초전도 큐빗을 이용한 도파관 양자 전기역학 아키텍처를 도입했다. 연구는 그러한 아키텍처가 어떻게 저오류 양자 계산을 수행하고 프로세서 간에 양자 정보를 공유할 수 있는지를 보여주었다.

이는 큐빗의 주파수를 조정하여 큐빗-파형 상호작용 강도를 조정함으로써, 취약한 큐빗이 도파관에 의해 유도된 디코히어런스(decoherence)로부터 보호되어 아주 높은 충실성 큐빗 연산을 수행하고, 큐빗 주파수를 재조정하여 큐빗이 광자 형태로 양자 정보를 도파관에 방출할 수 있게 함으로써 달성된다.

또한 연구팀의 연구 논문에서는 도파관 양자전기역학 구조의 광자 발생 능력을 제시하여, 큐빗이 도파관용 양자 방출체로 사용될 수 있음을 보여주었으며, 도파관 안으로 방출되는 광자 사이의 양자 간섭으로 인해 서로 반대 방향으로 이동하는 얽히고 설킨 떠돌이 광자가 발생하며 양자 프로세서 간 장거리 통신에 사용할 수 있음을 입증한 것이다.

광학 시스템에서 공간적으로 얽힌 광자를 생성하는 것은 일반적으로 자발적인 파라메트릭(parametric) 다운 변환 및 광검출기를 사용하여 수행되지만, 그러한 방식으로 달성된 얽힘은 일반적으로 무작위적이다. 따라서 분산 시스템에서 양자 정보의 주문형 통신을 가능하게 하는 데 덜 유용하다. 또 연구팀은 "모듈성은 어떤 확장 가능한 시스템의 핵심 개념입니다. 우리의 목표는 미래의 양자 프로세서에 유용해야 할 양자 상호연결의 요소를 입증하는 것입니다”라고 말했다.

한편, MIT 대학원생이자 지난 7일 국제학술지 사이언스(Science)의 자매지인 사이언스 어드벤시스(Science Advances)에 '도파관 양자 전기 역학을 사용하여 공간적으로 얽힌 순회 광자 생성(Generating spatially entangled itinerant photons with waveguide quantum electrodynamics- 다운)'이란 제목으로 발표한 이 논문의 제 1저자인 바라스 칸난(Bharath Kannan)은 "모듈러 양자 컴퓨팅은 여러 처리 노드에 걸쳐 작업량을 공유함으로써 규모적으로 양자 계산에 도달하는 하나의 기술입니다" 라며, “하지만 이 노드들은 일반적으로 공존하지 않기 때문에 먼 위치 사이에 양자 정보를 전달할 수 있어야 합니다” 라고 논문을 통해 밝혔다.