Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
이 논문은 새로운 광학적으로 프로그래밍 가능한 생체 분자 양자 버스를 활용하여 84비트 정수에 대한 쇼어 알고리즘과 고충실도 얽힘 프로토콜을 포함한 복잡한 알고리즘을 성공적으로 실행하였으나 아직 양자 우위를 입증하지는 못한, 상온 256-큐비트 NV-다이아몬드 양자 프로세서인 Zeus-256의 실험적 벤치마킹을 보고한다.
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양자 컴퓨팅은 현재 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 불가능한 문제들을 해결할 것을 약속하지만, 이를 수행할 수 있는 기계를 만드는 것은 믿을 수 없을 정도로 어렵습니다. 핵심 과제는 섬세한 양자 정보를 안정적으로 유지하는 데 있습니다. 많은 시스템에서 데이터를 저장하는 데 사용되는 미세한 입자인 큐비트는 온도가 너무 높아지거나 주변 환경과 상호작용하면 거의 즉시 그 특별한 특성을 잃어버립니다. 이로 인해 과학자들은 대개 기계를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각해야 하며, 이는 거대하고 복잡한 냉각 시스템을 필요로 합니다. 또 다른 장애물은 큐비트를 연결하는 것입니다. 계산을 수행하려면 큐비트들이 서로 대화해야 하지만, 많은 설계에서 큐비트들은 인접한 이웃들과만 통신할 수 있습니다. 정보를 칩의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전달하기 위해 컴퓨터는 데이터를 긴 이웃들의 사슬을 통해 전달해야 하며, 이는 모든 과정을 느리게 만들고 오류를 유발합니다. 연구자들이 던져온 질문은, 상온에서 작동하면서도 뇌의 어느 부분이라도 다른 부분과 연결할 수 있는 크고 유용한 양자 컴퓨터를 구축하는 것이 가능한가 하는 점이었습니다.
한 연구팀은 이제 상온에서 작동하며 연결 문제를 해결하기 위해 독특한 생물학적 물질을 사용하는 새로운 유형의 양자 프로세서를 시연했습니다. 그들은 256개의 활성 처리 단위, 즉 논리 큐비트가 격자 형태로 배열된 '제우스-256(Zeus-256)'이라는 장치를 만들었습니다. 더 큰 기계를 시뮬레이션하기 위해 소수의 큐비트를 반복해서 재사용하는 다른 시스템들과 달리, 이 256개의 단위는 모두가 동시에 활성화되어 작동합니다. 이 프로세서는 질소-공석 중심(nitrogen-vacancy centers)을 포함하는 작은 다이아몬드 결정 위에 구축되었으며, 이는 다이아몬드 구조 내의 아주 작은 결함으로서 큐비트 역할을 합니다. 이러한 결함은 마이크로파와 라디오파를 사용하여 제어되며, 상태는 빛을 이용해 읽혀집니다. 가장 중요한 혁신은 큐비트들이 서로 대화하는 방식입니다. 물리적인 전선에 의존하거나 큐비트를 직접 이동시키는 대신, 연구진은 다이아몬드 위에 특수한 단백질 기반 물질 층을 배치했습니다. 이 층은 프로그래밍 가능한 브리지, 즉 '양자 버스(quantum bus)' 역할을 하며, 빛을 통해 튜닝하여 칩 위의 멀리 떨어진 두 큐비트를 연결할 수 있습니다. 이를 통해 컴퓨터는 거리로 인해 발생하는 일반적인 지연 없이 복잡한 연산을 수행할 수 있습니다.
연구진은 이 기계가 얼마나 잘 작동하는지 확인하기 위해 다양한 표준 양자 알고리즘을 실행하여 테스트했습니다. 그들은 복잡한 얽힘 상태를 생성하고, 특정 패턴을 검색하며, 수학적 계산을 수행하도록 설계된 회로들을 성공적으로 실행했습니다. 가장 인상적인 테스트 중 하나는 현대 암호학의 핵심인 큰 수의 인수를 찾는 유명한 알고리즘이었습니다. 연구팀은 8비트 정수부터 거대한 84비트 정수에 이르기까지 11개의 서로 다른 숫자에 대해 이 알고리즘을 실행했습니다. 모든 256개의 큐비트가 함께 작동해야 하는 가장 큰 숫자의 경우, 기계는 10번의 시도 후에 '인수 회복(factor recovery)' 플래그를 기록했습니다. 그러나 이 연구는 구체적인 약수, 각 시도당 성공 횟수 또는 성공 확률을 공개하지 않았습니다. 이 어려운 계산을 위한 전체 과정은 단 0.5초가 조금 넘게 걸렸습니다. 또 다른 테스트에서, 기계는 256개의 큐비트 전체를 포함하는 특정 유형의 고도로 얽힌 상태를 생성했습니다. 이 상태의 품질을 측정했을 때, 연구진은 그것이 이상적인 이론적 목표치와 거의 99.9%의 충실도(fidelity)로 일치함을 발견했으며, 이는 상온 환경에서도 양자 정보가 놀라울 정도로 안정적으로 유지되었음을 나타냅니다.
연구진은 또한 기계가 이러한 과업을 완료하는 데 걸린 시간을 측정했습니다. 연구진은 프로그램을 실행하는 데 걸리는 시간이 큐비트의 순수한 숫자보다는 명령의 복잡성과 계산의 특정 구조에 훨씬 더 많이 의존한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 더 적은 큐비트를 사용하는 일부 계산이 더 많은 큐비트를 사용하는 다른 계산보다 훨씬 더 오래 걸렸는데, 이는 단순히 명령이 더 복잡했기 때문입니다. 이는 프로세서의 속도가 레지스터의 크기가 아니라, 소프트웨어가 다이아몬드를 제어하는 물리적 펄스로 어떻게 번역되는지에 의해 결정된다는 점을 시사합니다. 또한 연구팀은 큐비트 쌍 사이의 상관관계를 측정함으로써 기계가 진정으로 양자 방식으로 작동하고 있음을 검증했습니다. 결과는 고전 물리학으로는 달성할 수 없는 수준의 연결성을 보여주었으며, 이는 장치가 진정한 양자 시스템으로서 작동하고 있음을 확인시켜 주었습니다.
이 기계는 중요한 진전이지만, 연구진은 이것이 성취한 것과 성취하지 못한 것을 명확히 구분하고 있습니다. 그들은 이 작업이 아직 이 기계가 최고의 고전 컴퓨터보다 빠르게 문제를 해결할 수 있다는 것, 즉 '양자 우위(quantum advantage)'를 증명한 것은 아니라고 명시적으로 밝히고 있습니다. 제공된 타이밍 데이터는 프로세서의 내부 실행 속도를 측정한 것이며, 사용자의 코드를 번역하거나 빛을 수집하고 분석하는 데 필요한 시간은 포함하지 않습니다. 256 큐비트 장치는 그들이 지금까지 만든 것 중 가장 큰 버전입니다. 그들은 이 동일한 설계를 거의 10,000 큐비트로 확장하는 미래의 공학적 목표를 설명했지만, 이 더 큰 버전은 아직 제작되지 않았음을 분명히 했습니다. 현재의 성공은 연결층 역할을 하는 독점적인 생물학적 물질에 의존하고 있으며, 그 정확한 화학적 구성은 공개되지 않았습니다. 그러나 이러한 방식을 사용하는 기계가 상온에서 256개의 큐비트를 조율하고 복잡한 장거리 상호작용을 수행할 수 있다는 사실은, 극단적인 냉각을 필요로 하지 않는 더 크고 실용적인 양자 컴퓨터를 향한 실행 가능한 경로를 시사합니다. 이 연구는 다이아몬드 기반 큐비트, 핵 스핀 메모리, 그리고 빛으로 제어되는 생물학적 브리지의 결합이 상당한 계산 작업을 처리할 수 있는 기능적인 상온 양자 프로세서를 만들 수 있음을 보여줍니다.
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