Superconducting singlet-triplet qubits

양자 컴퓨터를 거대하고 웅웅거리는 슈퍼컴퓨터가 아니라, 작고 보이지 않는 무용수들이 북적이는 작은 도시라고 상상해 보세요. 어떤 무용수들은 '스핀 큐비트(spin qubits)'로서 팽이처럼 스스로 돌고 있고, 다른 무용수들은 '초전도 큐비트(superconducting qubits)'로서 완벽하게 동기화된 파동을 따라 움직입니다. 오랫동안 이 두 그룹은 서로 거의 대화하지 않는 별개의 이웃 동네에 살았습니다.

최근 과학자들은 '안드레예프 스핀 큐비트(Andreev spin qubits)'를 사용하여 이들 사이에 다리를 놓으려고 시도했습니다. 이들을 제대로 움직이려면 특별히 미끄러운 댄스 플로어(스핀-궤도 상호작용)가 필요한 무용수들이라고 생각해 보세요. 하지만 문제는 모든 재료가 그 미끄러운 바닥을 가지고 있지는 않다는 점입니다. 컴퓨터 칩을 만드는 데 있어 스타급 재료인 실리콘은 그 바닥을 가지고 있지 않았고, 이는 실리콘 기반의 무용수들이 경기장 옆에서 구경만 하게 만들었습니다.

이제, 아나톨리 로트코프(Anatoliy Lotkov)와 다니엘 로스(Daniel Loss)가 이끄는 연구팀은 새로운 종류의 무용수인 초전도 싱글렛-트리플렛(SST) 큐비트를 제안했습니다. 이것은 아직 증명되거나 실제로 작동하는 기계는 아닙니다. 대신 어떻게 하나를 만들 수 있는지 보여주는 상세한 설계도이자 일련의 시뮬레이션입니다. 그들의 핵심 아이디어는 무엇일까요? 바로 그 미끄러운 바닥이 전혀 필요 없는 무용수를 만드는 것입니다.

두 개의 점 댄스 플로어

단일 SST 큐비트를 조셉슨 접합(Josephson junction, 두 초전도체 사이의 특별한 다리) 안에 나란히 놓인 두 개의 양자 점(이를 '댄스 플랫폼'이라고 부릅시다)이 있는 작은 무대라고 상상해 보세요. 각 플랫폼에는 하나의 전자, 즉 작게 회전하는 팽이가 하나씩 있습니다.

기존의 '싱글렛-트리플렛' 큐비트에서 이 두 팽이는 플랫폼이 얼마나 가까운지에 따라 위치를 바꾸며 상호작용했습니다. 하지만 이 새로운 SST 설계에서 상호작용은 마법과 같습니다. 이는 초전도체 안에서 함께 춤추기를 좋아하는 전자 쌍인 '쿠퍼 쌍(Cooper pairs)'에 의해 구동됩니다. 이 쌍들은 갈라져서 한 전자는 왼쪽 플랫폼으로, 다른 전자는 오른쪽 플랫폼으로 보내며, 초전도체의 자기 위상(magnetic phase)에 의존하는 연결을 만들어냅니다.

가장 좋은 점은? 이 춤은 미끄러운 스핀-궤도 바닥을 필요로 하지 않습니다! 이 방식은 실리콘과 같은 표준 재료와도 잘 작동합니다. 이는 만약 우리가 이것들을 만들 수 있다면, 마침내 방대한 규모로 이미 구축된 실리콘 칩 기술을 양자 컴퓨터를 만드는 데 사용할 수 있음을 시사합니다.

자기 지휘자

이 무용수들이 가득 찬 방을 어떻게 제어할까요? 많은 양자 컴퓨터에서는 무용수들에게 언제 회전하거나 교체할지를 알려주기 위해 각각 별도의 와이어가 필요합니다. 이는 매우 복잡해질 수 있습니다.

저자들은 자기 선속(magnetic flux, 이를 '보이지 않는 자기 바람'이라고 생각하세요)을 사용하는 영리한 트릭을 제안합니다. SST 큐비트들이 하나의 초전도 루프(진주 목걸이처럼 연결된 형태) 안에 길게 늘어서 있다고 상상해 보세요. 무용수들을 제어하기 위해 모든 무용수에게 개별 와이어를 연결할 필요는 없습니다. 당신은 $N$개의 큐비트를 제어하기 위해 단 $N$개의 자기 선속 라인만 있으면 됩니다.

이 마법이 작동하는 방식은 다음과 같습니다:

• 대기 상태 (OFF): 자기 바람이 특정 값(플럭스 설정값 $\pi$)으로 설정되었을 때, 무용수들은 가만히 서 있습니다. 그들은 노이즈로부터 보호받으며 안전하게 준비를 마친 상태입니다.
• 솔로 댄스 (X 설정값): 만약 바람을 다른 값(0)으로 조절하면, 무용수들은 개별적으로 돌기 시작합니다. 이웃을 방해하지 않고도 특정 무용수 한 명을 회전시킬 수 있습니다.
• 파트너 댄스 (INT 설정값): 두 무용수가 상호작용하게 하려면(2-큐비트 게이트), 바람을 해당 두 무용수만을 위한 특별한 '상호작용' 값($\pi/2$)으로 설정합니다. 갑자기 그들은 서로를 느끼며 복잡한 듀엣을 수행할 수 있게 됩니다.

이 논문은 이 설정을 통해 $N$개의 자기 선속 라인만으로 $N$개 큐비트 사이의 모든 단일 또는 2-큐비트 게이트를 수행할 수 있다고 제안합니다. 이는 다른 방법들과 비교했을 때 배선 혼잡도를 크게 줄여주는 엄청난 감소입니다.

안전망

양자 컴퓨팅에서 가장 걱정되는 것 중 하나는 '노이즈(noise)'입니다. 즉, 섬세한 춤을 망치는 미세한 진동이나 전기적 결함입니다. 저자들의 시뮬레이션에 따르면, SST 큐비트가 'OFF' 대기 상태에 있을 때 이들은 매우 강력합니다. 이들은 전하 노이즈(전기적 정전기)와 플럭스 노이즈(자기적 흔들림)로부터 1차적으로 보호받습니다. 마치 아주 균형 잡힌 무용수라서 부드러운 바람에도 흔들리지 않는 것과 같습니다.

하지만 이들은 여전히 재료 내부의 자기 핵으로부터 오는 '하이퍼파인 노이즈(hyperfine noise)'에는 민감합니다. 논문은 만약 이 자기 핵들을 제거하기 위해 정제된(isotopic purification) 재료를 사용한다면, 이 무용수들을 훨씬 더 안정적으로 만들 수 있다고 제안합니다.

피날레: 결과 읽기

무용수들이 무엇을 했는지 어떻게 알 수 있을까요? 논문은 마이크로파 공동(microwave cavity)에 연결된 '트랜스몬(transmon, 일종의 초전도 큐비트)'을 사용하여 결과를 읽어내는 방법을 제안합니다. 트랜스몬을 무용수들의 소리를 듣는 지휘자라고 생각해 보세요.

무용수들이 'OFF' 또는 'X' 상태에 있을 때, 그들은 지휘자의 목소리 높낮이(pitch)를 약간 변화시킵니다. 도파관(waveguide)을 통해 마이크로파 신호를 보내고 그 음의 변화를 들음으로써, 당신은 무용수들이 어떤 상태였는지 알 수 있습니다.

하지만 주의할 점이 있습니다. 논문은 이 읽기 방식이 '파괴적(destructive)'이라고 언급합니다. 이는 마치 무용수들의 사진을 찍는 것과 같아서, 사진을 찍는 순간 무용수들을 그 자리에 멈추게 하고 음악을 중단시키는 것과 같습니다. 무용수 전체를 방해하지 않고 개별 무용수 한 명만 살짝 엿볼 수는 없습니다. 결과를 읽으려면 아마도 먼저 모든 무용수를 특정 상태로 튜닝한 다음, 하나씩 읽어야 할 것입니다. 즉, 결과를 읽는 속도가 무용수들이 춤을 추는 속도를 제한하게 됩니다. 저자들은 미래의 설계에서 다른 유형의 회로(예: 플럭소니움)를 사용하여 다른 이들을 방해하지 않고 개별 무용수를 엿볼 수 있을 것이라고 제안하지만, 현재로서는 이것이 제안된 계획입니다.

결론

이 논문은 세계 최초의 실리콘 기반 양자 컴퓨터를 만들었다고 주장하는 것이 아닙니다. 대신, 새로운 건축적 청사진을 제시하고 있습니다. 조셉슨 접합 안에 두 개의 양자 점을 배치하고 자기 선속을 사용하여 이들을 제어함으로써, 다음과 같은 큐비트를 만들 수 있다고 주장합니다:

1. 스핀-궤도 상호작용이 필요하지 않음 (실리콘과 호환 가능).
2. 매우 적은 수의 제어 와이어로 배열 내의 어떤 큐비트와도 통신할 수 있음.
3. 특정 유형의 노이즈로부터 자연스럽게 보호됨.

안드레예프 스핀 큐비트가 훌륭한 진전이었던 것은 사실이지만, 이 SST 제안은 더 넓은 범위의 재료를 활용할 수 있는 방법을 제시하며, 잠재적으로 양자 컴퓨터가 우리 주머니 속 스마트폰에 들어있는 것과 동일한 재료로 만들어질 수 있는 길을 열어줍니다. 아직 안무를 짜고 있는 단계이지만, 그 스텝은 매우 유망해 보입니다.