코넬대학교 전문가들은 양자를 실용화할 계획을 갖고 있습니다.

적어도 우리가 알고 있는 현실은 너무 깊습니다. 어떤 물체든 분자와 원자 수준까지 자세히 관찰하면 세상은 그 자체의 규칙에 따라 움직이기 시작합니다. 이것은 양자 물리학의 영역입니다. 에너지 파동과 입자가 동일하고 순간 이동과 같은 이상한 현상이 표준입니다. 이러한 수수께끼의 특성은 혁신적인 새 컴퓨터와 전자 부품의 열쇠가 될 수 있습니다. 전통적인 컴퓨터나 집적 회로와 같은 실리콘 트랜지스터를 사용하는 대신 양자 장치는 정보를 라우팅하고 처리하는 수단으로 아원자 입자를 사용하므로 현재 우리가 상상할 수 있는 다른 어떤 전자 하드웨어보다 더 빠르고 강력합니다. 코넬대 전기컴퓨터공학부 세 명의 새로운 교수진이 양자 장치를 실용적이고 확장 가능하게 만들기 위해 노력하고 있습니다. Karan Mehta 조교수는 Mohamed Ibrahim 조교수 및 Mark Wilde 부교수와 함께 각각 응용 물리학을 훨씬 뛰어넘어 회로 설계, 포토닉스, 시스템 아키텍처, 정보 이론 및 기타 분야의 요소를 통합하여 양자 컴퓨터를 현실로 만들고 있습니다. .Trapping ionsMehta는 예를 들어 양자 컴퓨터의 기본 빌딩 블록, 즉 "갇힌 이온 큐비트"라고 불리는 특수 구성 요소를 연구합니다. 이는 본질적으로 전기장에 의해 진공 속에 매달려 있고 레이저로 제어되는 단일 원자입니다. 이러한 레이저를 사용하여 원자의 스핀과 전하를 조작함으로써 간단한 알고리즘을 실행하도록 "프로그래밍"하는 것이 가능합니다. 그러나 모든 전자 부품과 마찬가지로 이러한 큐비트에도 장단점이 있다고 Mehta는 말합니다. 한 가지 장점은 각 이온이 공간에 떠 있고 다른 원자와 격리되어 있어 간섭이나 소음에 거의 노출되지 않는다는 것입니다. 그러나 이러한 큐비트를 제어하는 ​​것은 복잡하며 시스템이 점점 더 커지면 다른 소음원이 시스템에 침투하여 원활하게 작동하지 못하게 될 수 있습니다. 이러한 잡음을 제거하는 것은 수천 또는 심지어 수백만 큐비트가 필요한 유용한 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요한 부분입니다." 시스템에 많은 수의 이온 큐비트가 있을 때 자유롭게 이동하는 수백만 개의 레이저 빔으로 이를 제어합니다. 공간은 매우 어려워집니다."라고 Mehta는 말합니다. "시스템에 더 많은 큐비트를 추가할 때마다 제어 장치의 복잡성으로 인해 더 많은 잠재적인 오류와 잡음이 발생할 것입니다." 양자 컴퓨팅에서 이러한 잡음은 기계의 출력을 뒤섞을 수 있습니다. 미세한 진동, 열 또는 갇힌 이온을 무작위로 교란시키는 기타 물질이 나타나면 큐비트는 중첩이라는 중요한 특성을 잃습니다. 이는 전자가 동시에 여러 상태로 존재하여 프로그래머가 동시에 문제에 대해 서로 다른 반복을 실행할 수 있게 하는 현상입니다. 그러나 노이즈가 있으면 중첩이 조기에 붕괴되어 계산에 오류가 발생합니다. Mehta는 고체 장치를 사용하여 각 큐비트의 상태를 조작하고 감지함으로써 이러한 제한을 해결하려고 합니다. 그는 큐비트에 전달되고 광섬유를 기반으로 하는 칩 기반 제어 장치에 수집되는 빛의 펄스를 사용하는 것이 깨끗하고 잡음이 적은 양자 시스템의 핵심일 수 있다고 생각합니다. 이러한 시스템은 대규모 시스템을 허용하고 과도한 소음을 크게 줄여 큐비트를 더욱 안정적으로 만들 수 있습니다. "엔지니어링 관점에서 볼 때 이는 원래의 양자 시스템을 제어하는 ​​​​문제인 방 안의 코끼리를 해결할 수 있습니다"라고 그는 말합니다. "아이디어는 확장 가능한 하드웨어와 함께 매우 깨끗하고 잡음이 적은 양자 시스템의 근본적인 이점을 활용하는 것입니다." 칩의 양자 시스템Ibrahim이 해당 평가에 참여하고 있습니다. 그는 오늘날의 첨단 소형 집적 회로(IC)를 활용하여 자신의 연구실에서 확장 가능한 칩 규모 양자 시스템을 연구하고 있습니다. Ibrahim은 특수한 형태의 다이아몬드 결정을 사용하여 통합 양자 센서를 개발하고 있습니다. 순수한 탄소 대신에 이 다이아몬드에는 질소 원자가 심어져 있습니다. 빈 자리와 짝을 이루면 각 질소 원자는 독특하고 새로운 특성을 지닌 질소-공극(NV) 센터를 도입합니다. 이 결정을 마이크로파 에너지와 녹색 광 펄스의 상승하는 범위에 노출시킴으로써 그들은 형광 빨간색으로 빛나기 시작합니다. 이브라힘은 NV 센터 전자의 스핀 상태에 따라 강도를 측정하고 형광 강도가 낮아지는 정확한 주파수를 기록함으로써 온도를 추적하고 센서 주변의 자기장 및 전기장의 강도를 측정할 수 있습니다. 이는 잘 알려진 특성이므로 Ibrahim은 온칩 마이크로파 무선 소스 및 적색광 감지 회로를 포함하여 관련된 모든 요소를 ​​단일 칩 규모의 소형 장치에 결합하기 위해 노력하고 있습니다. 이것들은 다이아몬드 결정 격자와 녹색 레이저 이미터와 함께 포장되어 있습니다. 이와 같은 집적 회로는 전역 항법에서부터 심장과 뇌의 생체 전기 신호 감지에 이르기까지 모든 종류의 다양한 응용 분야를 가질 수 있다고 Ibrahim은 말합니다. 오래된 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 양자 컴퓨터용 통합 컨트롤러를 구축하는 데 관심이 있습니다." 큐비트의 경우 현재 우리는 확장성을 수천 큐비트로 제한하는 케이블을 사용하고 있습니다."라고 그는 말합니다. 몇 켈빈에서 작동하는 극저온 IC를 중개자로 사용하면 훨씬 더 효율적으로 더 많은 수의 큐비트로 확장할 수 있는 다중 큐비트 컨트롤러를 구축할 수 있습니다." 그러나 우리는 여전히 중간 저온과 통신해야 합니다. 현재 전도성 동축 케이블을 사용하고 있습니다. 이 케이블은 열 전도성도 있기 때문에 실제로 몇 밀리와트 정도의 에너지를 잃을 수 있습니다."라고 그는 말합니다. Ibrahim은 무선 통신을 사용하여 이 문제를 해결할 수 있는 효율적인 트랜시버를 연구하고 있습니다. 또는 광섬유와 같이 열전도율이 매우 낮은 케이블. 큐비트를 인터페이스하거나 직접 제어하는 ​​새로운 아키텍처를 개발하기 위해 IC를 활용하면 그 수를 늘릴 수 있어 대규모 양자 컴퓨터 시대가 가능해질 것입니다. 큐비트 프로그래밍그러나 양자 컴퓨터를 아무리 강력하고 효율적으로 만들 수 있더라도 우리는 Wilde가 적극적으로 연구하고 있는 영역인 이를 사용하는 가장 효과적인 방법을 찾아내지 않는 한 멀리 가지 못할 것입니다. 전기 및 컴퓨터 공학부 동료들이 이러한 장치를 현실화하기 위해 새로운 하드웨어와 소프트웨어를 개발하는 동안 Wilde는 양자 정보 이론, 즉 해당 장치 내에서 정보를 처리하는 데 사용되는 복잡한 알고리즘에 관심을 돌리고 있습니다. 양자 컴퓨터는 기존 실리콘 장치보다 훨씬 덜 간단하다고 말합니다. 각각 0과 1의 값을 갖는 2비트의 클래식 컴퓨터는 해당 숫자의 네 가지 조합(00, 01, 10, 11)을 생성할 수 있지만 한 번에 하나씩만 계산할 수 있습니다. 반면에 양자 컴퓨터는 네 가지 가능한 답을 동시에 탐색할 수 있으므로 완전히 새로운 프로그래밍 방법이 필요합니다." 양자 알고리즘을 고안하는 데 필요한 영리함은 답에 대한 나쁜 가능성을 없애는 것입니다. ; 나무를 자르는 것과 같은 계산에서 이를 제거한 다음 궁극적으로 측정할 때 올바른 솔루션으로 이어질 경로를 증폭시키는 것입니다."라고 Wilde는 말합니다. 양자 시스템의 잡음은 가지치기 과정에서 오류를 유발하기 때문에 Wilde는 다음과 같이 말합니다. 이러한 인스턴스를 수정하고 시끄러운 결함으로 인해 컴퓨터 출력이 왜곡되지 않도록 하는 방법을 연구하고 있습니다. 그는 한 가지 기술은 양자 알고리즘을 최대한 효율적으로 만들어 실행하는 데 걸리는 시간을 줄이고 계산이 발생할 때 큐비트가 잡음으로 인해 손상될 가능성을 제한하는 것이라고 지적합니다. 그는 강력한 알고리즘을 구성하는 새로운 방법을 연구하고 있지만 양자 알고리즘과 관련하여 Wilde의 작업은 실용적인 솔루션에만 전적으로 초점을 맞추고 있지 않습니다. 그는 또한 좀 더 철학적인 성향으로 퍼즐에 답하려고 노력하고 있습니다. “저는 의사소통의 궁극적인 한계를 이해하고 싶습니다.”라고 그는 말합니다. "모든 통신 작업에서는 양쪽 끝에서 일종의 계산을 수행해야 하며, 모든 계산 작업에서는 컴퓨터 내부의 큐비트 간에 통신해야 합니다. 따라서 계산과 통신은 필연적으로 얽혀 있습니다. 그리고 당신은 결코 그들을 분리할 수 없습니다." 이를 염두에 두고 그는 이러한 프로세스의 물리적 한계는 무엇인지 묻습니다. 그리고 우리는 그것들을 얼마나 멀리 밀어붙일 수 있습니까? 이러한 질문은 단지 추상적인 사고 실험이 아닙니다. 이는 Wilde와 그의 동료들이 현재 하고 있는 작업의 핵심입니다. 시간이 지나면 그들의 연구실에서 나오는 학제간 연구는 컴퓨팅 및 전기 공학 전체에 혁명을 일으켜 양자 물리학을 기반으로 하는 무한한 새로운 가능성을 열 수 있습니다.