A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons

오늘날의 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 문제를 해결할 수 있는 기계를 만들기 위한 경쟁 속에서, 과학자들은 오랫동안 빛에 주목해 왔습니다. 전통적인 컴퓨터처럼 실리콘 칩을 통해 정보를 전달하기 위해 전기를 사용하는 대신, 이 새로운 기계들은 정보의 운반체로 광자, 즉 빛의 입자인 광선 스트림을 사용합니다. 이를 수행하는 가장 유망한 방법 중 하나는 가우시안 보존 샘플링(Gaussian boson sampling)이라고 불립니다. 빛 입자들이 한쪽 끝으로 들어가 거울에 부딪히고 경로를 통해 갈라진 후 출구로 나오는 복잡한 미로를 상상해 보십시오. 빛 입자들은 기묘한 양자적 방식으로 행동하기 때문에 동시에 여러 경로를 택할 수 있으며, 이는 예측하거나 계산하기가 매우 어려운 출구 패턴을 만들어냅니다. 이것이 단순한 확률 게임처럼 들릴 수도 있지만, 가능한 결과의 수가 너무 빠르게 증가하기 때문에 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차 그 결과를 알아내는 데 수천 년이 걸릴 것입니다. 연구자들이 '양자 우위(quantum advantage)'라고 부르는 이 난이도는, 기계가 고전 컴퓨팅의 한계를 넘어섰음을 증명하는 이정표입니다. 그러나 이러한 빛 기반 기계를 구축하는 것은 고난의 연속이었습니다. 이전의 시도들은 손으로 직접 극도로 정밀하게 정렬해야 하는 별도의 거울과 렌즈들로 가득 찬 거대한 테이블에 의존했습니다. 이러한 설정은 취약하고 불안정하며 규모를 키우기 어려워, 실험실의 호기심 수준에서 실용적인 도구로 발전하는 데 어려움이 있었습니다.

이제 한 연구팀이 전체 시스템을 단일 칩으로 축소함으로써 이러한 장애물을 극복했으며, 순식간에 방대한 수의 빛 입자를 처리할 수 있는 장치를 만들어냈습니다. 새로운 연구에 발표된 이 작업은 공간과 시간을 모두 사용하여 빛을 혼합하는 '시공간 다중화(space-time multiplexing)'라는 영리한 기술을 사용하는 최초의 칩 규모 시스템을 설명합니다. 거대한 물리적 공간과 장비가 필요했던 대신, 연구진은 빛을 고속으로 조작하는 능력으로 알려진 특수 결정인 리튬 나이오베이트(lithium niobate)의 얇은 조각 위에 미세한 경로, 거울, 스위치 네트워크를 직접 구축했습니다. 이 칩은 빛을 위한 공장 역할을 하며, 펄스가 루프를 통해 전달되고 다양한 경로로 분산되는데, 이 모든 과정은 초당 수십억 번씩 켜지고 꺼지는 전기 신호에 의해 제어됩니다. 그 결과, 이 기계는 안정적이고 콤팩트할 뿐만 아니라 단 1밀리초 만에 만 개 이상의 빛 입자를 생성하고 감지할 수 있게 되었습니다. 이 규모는 이전의 어떤 칩 기반 시스템도 달성하지 못한 수준이며, 빛 기반 컴퓨팅의 가능성을 밀어붙이고 있습니다.

상하이 교통대학교와 튜링Q(TuringQ) 연구진이 이끄는 연구팀은 칩이 결함이 없도록 제조 공정을 완벽하게 만드는 데 수년을 보냈습니다. 그들은 대형 웨이퍼 위에 이러한 장치를 제작하기 위해 전용 생산 라인을 구축했으며, 미세 회로를 통과하는 빛의 손실을 최소화하기 위해 모든 단계를 세심하게 개선했습니다. 최종 장치는 4기가헤르츠(GHz)의 클록 속도로 작동하며, 이는 초당 40억 번 데이터를 처리함을 의미합니다. 그 능력을 테스트하기 위해, 그들은 빛 입자의 양자적 행동을 극대화하도록 준비된 특수한 상태인 '스퀴즈드 라이트(squeezed light)'를 칩에 주입했습니다. 빛은 빛의 파동을 나누고 다시 결합하는 장치인 간섭계(interferometers)와 빛을 아주 짧은 시간 동안 머물게 하는 지연 루프(delay loops)로 이루어진 복잡한 네트워크를 통과했습니다. 빛이 끝단의 검출기에 도달했을 때, 시스템은 엄청난 수의 검출 이벤트를 생성했으며, 가장 큰 단일 샘플에는 11,059개의 광자가 포함되었습니다. 이 숫자가 중요한 이유는 고전 컴퓨터로 그 결과를 시뮬레이션하는 것이 사실상 불가능할 정도로 크기 때문이며, 이는 이 기계가 실제로 전통적인 계산을 거부하는 수준의 복잡성에 도달했음을 확인시켜 줍니다.

이 기계가 단순히 단순한 고전적 트릭으로 결과를 흉내 내는 것이 아니라 진정한 양자 장치로서 제대로 작동하고 있음을 증명하기 위해, 팀은 엄격한 검사를 수행했습니다. 그들은 기계가 감지한 빛의 패턴을 진정한 양자 시스템에 대해 이론적으로 예측된 결과 및 일반적인 열이나 표준 레이저가 나타내는 결과와 비교했습니다. 결과는 양자 예측과 거의 완벽하게 일치했으며, 다른 가능성들은 명확히 배제되었습니다. 또한 그들은 생성된 데이터가 가짜나 단순화된 모델이 아니라 설계된 복잡한 양자 과정으로부터 진정으로 생성되었음을 보여주기 위해 통계적 방법을 사용했습니다. 이러한 테스트는 시스템이 올바르고 매우 복잡한 양자 상태를 생성하고 있음을 확인시켜 주었으며, 고속 변조기, 지연 라인, 검출 네트워크를 하나의 작은 칩에 통합한 공학적 성취를 입증했습니다.

단순히 기계가 작동함을 증证明하는 것을 넘어, 연구진은 이 기술이 추상적인 계산 이상의 용도로 쓰일 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 동일한 칩을 '월드 모델(world model)', 즉 물리적 시스템이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 학습하는 인공지능 시스템으로 재구성했습니다. 그들은 고전적인 물리학 문제인, 바람이 원통을 지나갈 때 발생하는 공기와 압력의 소용돌이 패턴인 '카르만 와류(Kármán vortex street)'를 선택했습니다. 칩은 압력장의 스냅샷을 찍고, 내부의 빛 루프를 사용하여 흐름의 이력을 기억한 다음, 잠시 후의 압력이 어떻게 될지를 예측하도록 프로그래밍되었습니다. 동일한 작업을 수행하도록 설계된 표준 컴퓨터 프로그램과 비교했을 때, 빛 기반 시스템은 패턴을 학습하는 데 훨씬 적은 조정 설정만을 사용하면서도 더 정확한 예측을 수행했습니다. 이는 빛이 칩 위에서 혼합되고 정보를 기억하는 독특한 방식이 물리학 및 공학의 복잡한 문제를 해결하는 강력한 새로운 방법이 될 수 있음을 시사하며, 이 기술을 속도의 시연에서 실제 세계의 발견을 위한 도구로 격상시킵니다.

이 프로젝트의 성공은 광자 양자 컴퓨팅 분야의 전환점을 의미합니다. 수년 동안 과제는 양자 우위를 보여줄 만큼 충분히 크면서도, 유용하게 쓰일 수 있을 만큼 안정적이고 프로그래밍 가능한 시스템을 구축하는 것이었습니다. 단일 칩에 모든 것을 통합하고 규모 확장이 가능한 제조 공정을 사용함으로써, 연구진은 이러한 기계들이 미래의 응용 분야에 필요한 신뢰성과 유연성을 갖추어 구축될 수 있음을 보여주었습니다. 빛을 이토록 높은 속도와 정밀도로 제어할 수 있는 능력은 재료 과학, 기후 모델링, 인공지능 분야의 문제를 해결할 수 있는 차세대 장치의 문을 열어줍니다. 기술이 계속 성숙해짐에 따라, 광원과 검출기 같은 더 많은 구성 요소를 칩에 직접 통합하려는 계획과 함께, 단일 실리콘 조각 위에 구축된 다재다능하고 프로그래밍 가능한 양자 컴퓨터라는 비전은 구체적인 현실이 되어가고 있습니다.