Quantum sensors that compute: quantum computational magnetic-field sensing using a superconducting qubit

우리가 물리적 우주를 측정하기 위해 사용하는 도구가 우리가 그 측정 대상에 대해 생각하는 도구이기도 한 세상을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 자기장, 온도 변화, 또는 중력의 끌림과 같은 미세한 속삭임을 감지할 수 있는 정교하고 민감한 장치들을 만들어 왔습니다. 이러한 양자 센서들은 입자가 동시에 여러 상태로 존재할 수 있는 아원자 세계의 기묘한 법칙에 따라 작동하며, 이를 통해 고전적인 도구로는 보이지 않을 변화를 감지할 수 있습니다. 그러나 항상 근본적인 한계가 존재해 왔습니다. 이러한 센서의 단일 측정은 종종 단 하나의 예/아니오 답변과 같은 아주 작은 정보의 조각만을 드러낸다는 점입니다. 복잡한 신호를 이해하기 위해 연구자들은 전통적으로 그러한 측정을 수천 번 반복하여 결과를 평균화함으로써 신호의 정밀한 그림을 구축한 다음, 별도의 컴퓨터를 사용하여 그 그림이 무엇을 의미하는지 결정해야 했습니다. '먼저 측정하고 나중에 계산한다'는 이 두 단계의 과정은 잘 작동하지만, 느리며 양자 시스템의 독특한 잠재력을 낭비하게 됩니다.

양자 컴퓨팅 센싱(quantum computational sensing)이라고 알려진 새로운 접근 방식은 이러한 오래된 사고방식에 도전합니다. 센서를 수동적인 기록자로, 컴퓨터를 별개의 분석가로 취급하는 대신, 이 방법은 센서 스스로가 직접 생각하도록 요구합니다. 감지 행위와 일련의 양자 연산을 결합함으로써, 이 장치는 정보가 여전히 취약한 양자 상태에 머물러 있는 동안 정보를 처리할 수 있습니다. 목표는 원시 신호를 완벽한 정밀도로 측정하는 것이 아니라, 약한 자기장과 강한 자기장을 구별하는 것과 같이 특정 작업에 필요한 정확한 정보 조각만을 추출하는 것입니다. 이를 통해 시스템은 신호의 전체 그림을 구축하는 중간 단계를 건너뛸 수 있으며, 잠재적으로 전통적인 방식보다 훨씬 더 빠르고 정확하게 답을 제공할 수 있습니다.

최근 코넬 대학교와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 연구진은 단 하나의 작은 양자 비트, 즉 큐비트를 사용하여 이 개념이 실제로 작동함을 입증했습니다. 그들은 전기 전류에 의해 생성되는 자기장을 감지할 수 있는 미세한 전선 루프처럼 작동하는 초전도 회로로 센서를 구축했습니다. 이 장치는 이미 극도로 높은 민감도로 알려진 기술인 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)의 일종입니다. 연구팀은 이 단일 큐비트가 자기장을 감지할 뿐만 아니라, 최종 측정이 이루어지기 전에 그에 대한 결정을 계산할 수 있는지 테스트하고자 했습니다. 그들은 이진 분류 작업, 즉 신호를 두 그룹 중 하나로 분류하는 문제(예: 약한 자기장과 강한 자기지를 구별하거나, 특정 주파수로 진동하는 신호와 다른 주파수의 신호를 구별하는 것)에 집중했습니다.

연구진은 새로운 방법과, 자기장의 세기나 주파수를 추정하기 위해 자기장을 반복적으로 측정하고 표준 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 신호의 범주를 결정하는 전통적인 방식을 비교했습니다. 첫 번째 테스트 세트에서 그들은 시간에 따라 변하지 않는 정적 자기장을 사용했습니다. 그들은 큐비트가 자기장을 감지하는 과정 사이에 특정 회전과 휴지기를 거치도록 프로그래밍했습니다. 이 시퀀스는 필터처럼 작동하여 분류 작업에 유효한 정보는 증폭시키고 나머지 정보는 억제하도록 설계되었습니다. 마지막에 큐비트를 측정했을 때, 결과는 자기장의 범주를 직접적으로 나타냈습니다. 결과는 놀라웠습니다. 이러한 정적 자기장 작업에 대해, 양자 컴퓨팅 방식은 동일한 시간을 투입했을 때 전통적인 방식보다 최대 15%포인트 더 높은 정확도를 보였습니다.

그 후 연구팀은 파동처럼 앞뒤로 흔들리는 진동 자기장을 포함한 더 어려운 과제로 넘어갔습니다. 이러한 신호는 위상, 즉 파동의 정확한 타이밍이 무작위적이고 예측 불가능할 수 있기 때문에 분류하기가 더 어렵습니다. 전통적인 접근 방식에서 과학자들은 종-종 노이즈를 상쇄하고 신호의 주파수나 진폭을 분리하기 위해 일련의 펄스를 센서에 가하는 동적 디커플링(dynamical decoupling) 기술을 사용합니다. 연구진은 이 최적화된 전통적 펄스들을 대상으로 자신들의 양자 컴퓨팅 프로토콜을 테스트했습니다. 진동하는 자기장의 진폭(높이)을 식별하는 작업에서, 그들의 방법은 정확도를 최대 20%포인트 향상시켰습니다. 작업이 얼마나 빨리 흔들리는지를 나타내는 주파수를 식별하는 것으로 바뀌었을 때도, 새로운 방법은 최대 15%포인트의 정확도 개선을 보이며 상당한 우위를 유지했습니다.

이 결과가 특히 주목할 만한 이유는 이 모든 과정이 단 하나의 양자 비트에 의해 수행되었다는 점입니다. 보통 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 수행하기 위해 많은 수의 큐비트가 필요할 것으로 예상되지만, 이번 실험은 노이즈와 오류라는 실제적인 한계 속에서도 최소 규모의 시스템이 표준 기술을 능가할 수 있음을 보여주었습니다. 핵심은 연구진이 자기장을 완벽하게 측정하려 한 것이 아니라, 양자 연산 시퀀스를 통해 원시 신호를 최종 측정 결과로 직접 매핑하도록 훈련시킨 데 있었습니다. 그렇게 함으로써, 그들은 측정 결과에 드러나는 단일 비트의 데이터에 유효한 정보를 집중시켰고, 결과적으로 전체 신호를 먼저 재구성해야 하는 필요성을 효과적으로 우회했습니다.

또한 이 연구는 작업의 복잡성이 결과에 어떤 영향을 미치는지 강조했습니다. 신호 공간을 더 작고 많은 영역으로 나누는 등 분류 규칙이 더 복잡해질수록, 양자 컴퓨팅 접근 방식의 이점은 더욱 커졌습니다. 가장 복잡한 시나리오에서 전통적인 방식은 따라가는 데 어려움을 겪은 반면, 양자 프로토콜은 높은 정확도를 유지했습니다. 이는 센서가 해결해야 할 문제가 더 정교해질수록, 센서 내부에서 직접 계산하는 능력이 점점 더 중요해진다는 것을 시사합니다. 연구진은 자신들의 성공이 양자 신호 처리(quantum signal processing)라고 불리는 기술에 의존했음을 언급했는데, 이는 신호에 반응하여 양자 상태가 진화하는 방식을 정밀하게 형성할 수 있게 해줍니다. 그들은 특정 하드웨어를 모델링한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 시퀀스들을 최적화함으로써, 실제 장치에 내재된 노이즈에 대해서도 프로토콜이 견고함을 보장했습니다.

실험은 통제된 실험실 환경에서 수행되었지만, 그 영향력은 이 특정 장치를 넘어 확장됩니다. 연구진은 이 접근 방식이 의료 영상이나 항법 등에 사용되는 다른 유형의 양자 센서에도 적용될 수 있다고 제안합니다. 핵심 아이디어는 감지 과정에 컴퓨팅을 통합함으로써, 반드시 더 크고 복잡한 기계를 만들지 않고도 이러한 장치들을 더 효율적이고 강력하게 만들 수 있다는 것입니다. 이 연구는 센싱과 컴퓨팅 사이의 경계가 생각만큼 엄격하지 않으며, 단일 양자 시스템이 신호를 보는 눈인 동시에 그것을 해석하는 뇌가 될 수 있음을 보여줍니다. 이는 단순한 관찰자를 넘어, 물리적 세계를 능동적으로 이해하는 참여자가 되는 차세대 센서로 가는 길을 열어줍니다.