조금 더 따뜻한 온도에서 작동한다는 것은 양자 컴퓨터가 훨씬 더 쉽게 작동할 수 있다는 것을 의미하며 훨씬 더 널리 사용할 수 있습니다.
수십 년 동안 양자 컴퓨팅의 추구는 절대영도(0 켈빈 또는 –273.15℃)보다 불과 몇 분의 1에 불과한 극도로 낮은 온도의 필요성으로 어려움을 겪었습니다. 양자 컴퓨터에 고유한 계산 능력을 부여하는 양자 현상은 우리가 살고 있는 친숙한 고전 세계의 온기로부터 격리되어야 활용될 수 있기 때문입니다.
고전 컴퓨터의 핵심인 이진법의 “0 또는 1” 비트와 동등한 단일 양자 비트 또는 “큐비트”는 작동하기 위해 큰 냉동 장치를 필요로 합니다. 그러나 새로운 물질이나 의약품을 설계하는 등 양자 컴퓨터가 획기적인 발전을 이룰 것으로 기대하는 많은 분야에서 우리는 많은 수의 큐비트 또는 심지어 병렬로 작동하는 전체 양자 컴퓨터가 필요할 것입니다.
신뢰할 수 있는 연산에 필수적인 오류 관리와 자기 수정이 가능한 양자 컴퓨터는 그 규모가 엄청날 것으로 예상됩니다. 구글, IBM, PsiQuantum과 같은 회사들은 하나의 양자 컴퓨터를 구동하기 위해 냉각 시스템으로 가득 찬 전체 창고의 미래를 준비하고 있으며, 엄청난 전력을 소비하고 있습니다.
하지만 양자 컴퓨터가 조금이라도 더 높은 온도에서 작동할 수 있다면, 작동하기가 훨씬 쉬워질 수도 있고 훨씬 더 널리 이용 가능할 수도 있습니다. 네이처지에 게재된 새로운 연구에서, 우리 팀은 특정한 종류의 큐비트, 즉 개별 전자의 스핀이 이전의 예들보다 훨씬 더 뜨거운 약 1K의 온도에서 작동할 수 있다는 것을 보여주었습니다.
차갑고 딱딱한 사실들은
냉각 시스템은 낮은 온도에서는 덜 효율적이 됩니다. 설상가상으로, 오늘날 큐비트를 제어하기 위해 사용하는 시스템은 1940년대의 ENIAC와 다른 거대한 컴퓨터를 연상시키는 전선들로 뒤엉켜 있습니다. 이 시스템들은 가열을 증가시키고 큐비트가 함께 작동하도록 하는 데 물리적인 병목 현상을 일으킵니다.
우리가 더 많은 큐비트를 주입하려고 할수록 문제는 더 어려워집니다. 어느 시점에서 배선 문제는 극복할 수 없게 됩니다.
그 후, 제어 시스템들은 큐비트들과 같은 칩들로 만들어질 필요가 있습니다. 하지만, 이 통합된 전자 장치들은 복잡한 전선들보다 훨씬 더 많은 전력을 사용하고 더 많은 열을 발산합니다.
훈훈한 턴
우리의 새로운 연구가 앞으로 나아갈 길을 제시할지도 모릅니다. 우리는 기존의 마이크로칩 생산에서 사용되는 것과 비슷한 기술을 사용하여 실리콘 위에 금속 전극이 인쇄된 양자점으로 만들어진 특정한 종류의 큐비트가 약 1K의 온도에서 작동할 수 있다는 것을 증명했습니다.
이것은 절대 영하 1도 밖에 되지 않아서, 여전히 매우 춥습니다. 하지만, 이것은 가능하다고 생각했던 것보다 훨씬 더 따뜻합니다. 이 돌파구는 거대한 냉동 시설을 더 다루기 쉬운 단일 시스템으로 압축할 수 있습니다. 이것은 운영 비용과 전력 소비를 크게 줄일 것입니다.
그런 기술 발전의 필요성은 비단 학문적인 것만은 아닙니다. 양자 컴퓨팅이 분자 구조를 이해하고 상호 작용하는 방식에 혁명을 일으킬 것을 약속하는 의약품 설계와 같은 분야에서 그 이해는 매우 중요합니다.
수십억 달러에 달하는 이러한 산업의 연구 개발 비용은 더 쉽게 접근할 수 있는 양자 컴퓨팅 기술로 인한 잠재적인 비용 절감과 효율성 향상을 강조합니다.
느린 화상
“Hotter” 큐비트는 새로운 가능성을 제공하지만, 오류 수정과 통제에 있어서도 새로운 도전을 도입할 것입니다. 높은 온도는 측정 오류율의 증가를 의미할 수도 있고, 이것은 컴퓨터가 계속해서 기능하도록 하는데 있어서 더 많은 어려움을 야기할 것입니다.
양자 컴퓨터의 발전은 아직 초기 단계입니다. 양자 컴퓨터는 언젠가 오늘날의 실리콘 칩처럼 어디에나 있을 수 있지만, 그 미래로 가는 길은 기술적인 장애물로 가득 차 있을 것입니다.
더 높은 온도에서 큐비트를 작동하는 최근의 진전은 시스템의 요구 사항을 더 단순화하기 위한 핵심 단계입니다.
양자 컴퓨팅이 전문 연구소의 한계에서 벗어나 더 넓은 과학 커뮤니티, 산업 및 상업 데이터 센터로 이동할 수 있다는 희망을 제공합니다.
이 편집된 기사는 크리에이티브 커먼즈 라이선스로 The Conversation에서 다시 출판됩니다. 원본 기사를 읽어보세요.