Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

실용적인 양자 컴퓨터를 구축하려는 탐구는 과학자들이 큐비트라고 알려진 가장 작은 정보 단위를 붙잡고 제어하는 다양한 방법을 탐구하도록 이끌었습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 빛의 빔을 이용해 진공 속에 매달린 개별 원자를 사용하여 이러한 큐비트로 활용하는 것입니다. 이러한 중성 원자 배열은 수천 개의 원자를 담을 수 있도록 확장할 수 있고, 원자를 매우 정밀하게 이동시킬 수 있다는 점에서 매력적입니다. 그러나 수년 동안 이들의 발전을 늦춘 주요 병목 현상이 있었습니다. 원자 자체는 매우 빠르게 조작될 수 있는 반면, 원자의 상태를 확인하고 다음 단계를 위해 준비하는 과정은 매우 느렸습니다. 전통적으로 원자의 상태를 읽는 것은 원자를 트랩 밖으로 튕겨 나가게 하거나 너무 많이 가열하여 잃게 만드는 방법이 자주 필요했습니다. 이는 과학자들이 매 계산마다 수백 밀리초 동안 새로운 원자를 다시 채우고 재배열하는 데 시간을 소비해야 했음을 의미하며, 이는 초당 수행할 수 있는 계산 횟수를 제한했습니다.

한 연구팀은 중성 원자 양자 프로세서가 초당 100회의 계산을 실행할 수 있음을 보여줌으로써 이러한 속도 제한을 깨뜨리는 방법을 시연했습니다. 원자의 상태를 파괴하거나 잃지 않고 읽을 수 있는 시스템을 설계함으로써, 연구팀은 동일한 원자 그룹을 반복해서 계속 사용할 수 있게 했습니다. 이 성과는 기술을 느린 단계별 프로세스에서 고속 데이터 스트림으로 전환시켜, 원자 기반 컴퓨터의 성능을 실제 응용 분야에 필요한 속도에 훨씬 더 가깝게 가져다주었습니다.

이 실험은 진공 챔버에 갇힌 루비듐-87이라는 특정 유형의 원자를 사용하여 수행되었습니다. 연구진은 이 열 개의 원자를 광학 트위저라고 불리는 작고 집중된 빛의 빔 안에 배치하여 한 줄로 배열했습니다. 계산을 수행하기 위해 연구팀은 먼저 원자를 냉각하고 알려진 시작 상태로 설정합니다. 그런 다음 그들은 스위치를 켜는 것과 유사한 일련의 연산을 적용하여 원자의 상태를 변화시킵니다. 결정적인 과제는 항상 마지막 단계인 결과를 읽는 것이었습니다. 기존 시스템에서 이 읽기 과정은 원자에 빛을 비추어 빛나게 만드는 과정을 포함했습니다. 이 빛은 상태를 드러내 주지만, 동시에 원자를 밀어내어 종종 트랩에서 탈출하게 만듭니다. 원자가 손실되면 전체 시퀀스가 중단되어야 하며, 시스템은 처음부터 다시 시작해야 합니다. 이는 귀중한 시간을 낭비하게 됩니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 특수 유리로 제작된 칩을 사용하여 새로운 종류의 인터페이스를 구축했습니다. 이 칩은 각 원자에서 방출되는 빛을 수집하여 검출기로 직접 안내하는 아주 작은 보이지 않는 터널 세트처럼 작동합니다. 빛이 매우 효율적으로 수집되기 때문에, 연구팀은 아주 적은 수의 광자만을 감지함으로써 원자의 상태를 결정할 수 있습니다. 이러한 부드러운 접근 방식 덕분에 원자는 냉각된 상태를 유지하며 트랩 안에 머물 수 있습니다. 연구팀은 이 열 개의 원자를 다시 채우지 않고 동일한 연산을 100번 연속으로 실행함으로써 이를 테스트했습니다. 그들은 100번의 사이클 후에 원자가 99.7%의 확률로 여전히 존재한다는 것을 발견했습니다. 이 높은 생존율은 시스템이 원자를 다시 채우기 위한 긴 휴지 시간 없이 계속 실행될 수 있음을 의미했습니다.

결과는 극적인 속도 향상이었습니다. 연구팀은 양자 회로 반복 속도라고 알려진 101회의 계산 사이클을 초당 달성했습니다. 원자가 손실되어 데이터를 버려야 하는 드문 경우까지 고려하더라도, 유효 속도는 초당 74.8 사이클을 유지했습니다. 이를 비교해 보자면, 유사한 원자를 사용하는 이전 시스템들은 초당 10 사이클 미만으로 제한되었습니다. 연구진 또한 반복된 사이클로부터 수집된 정보가 일관되고 신뢰할 수 있음을 확인했습니다. 100번의 실행에서 얻은 모든 데이터를 결합함으로써, 그들은 단 한 번의 실행보다 훨씬 더 높은 정밀도로 원자의 행동을 측정할 수 있었습니다.

이러한 고속 능력 덕분에 연구팀은 무작위 벤치마킹(randomized benchmarking)이라고 알려진 컴퓨터 품질의 표준 테스트를 단 13분 만에 수행할 수 있었습니다. 과거에는 느린 재충전 과정 때문에 10개의 원자 배열에 대해 이와 동일한 테스트를 수행하는 데 몇 시간이 걸렸을 것입니다. 실험 결과, 연산이 99% 이상 정확하게 수행되어 원자들이 높은 수준의 정확도를 유지하고 있음이 나타났습니다. 연구진은 또한 그들의 방법이 가장 짧은 시간 안에 가장 유용한 정보를 얻도록 최적화될 수 있음을 입증했습니다. 읽기 과정의 속도와 원자를 안전하게 유지해야 하는 필요성 사이의 균형을 맞춤으로써, 그들은 다른 모든 면에서 완벽한 기존 방식보다 10배 이상 빠르게 정보를 수집할 수 있는 "스윗 스팟(sweet spot)"을 찾아냈습니다.

이 실험의 성공은 저자들이 "볼케이노(volcano)" 아키텍처라고 부르는 영리한 설계에 달려 있는데, 이는 칩 위의 빛 경로가 촘촘하게 배치된 원자들을 검출기에 매핑하도록 형상화된 방식을 의미합니다. 이 설정은 각 원자를 개별적이고 동시에 읽을 수 있게 해줍니다. 연구진은 더 나은 빛 수집 및 더 빠른 냉각 기술과 같은 추가적인 개선을 통해 이 속도가 결국 초당 수천 사이클에 도달할 수 있다고 믿습니다. 이는 더 복잡한 계산과 실시간 오류 수정의 길을 열어줄 것이며, 이는 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필수적입니다. 이 연구는 원자 자체를 개선하려고 노력하기보다 원자를 읽는 방식을 바꿈으로써, 우리가 이 기술의 새로운 성능 수준을 끌어낼 수 있음을 증명합니다.