토글 스위치로 양자 컴퓨터의 소음 감소

미국 국립표준기술연구소(NIST) 과학자팀이 양자컴퓨터의 잡음을 줄이는 장치를 출시했다.

"토글 스위치" 장치는 두 개의 초전도 큐비트를 큐비트 계산의 출력을 읽을 수 있는 "판독 공진기"라는 회로에 연결합니다.

이 토글 스위치를 다른 상태로 전환하여 큐비트와 판독 공진기 사이의 연결 강도를 조정할 수 있습니다.

끄면 세 요소가 모두 서로 격리됩니다.

스위치를 켜서 두 큐비트를 연결하면 상호 작용하고 계산을 수행할 수 있습니다.

계산이 완료되면 토글 스위치가 큐비트와 판독 공진기 중 하나를 연결하여 결과를 검색할 수 있습니다.

프로그래밍 가능한 토글 스위치를 사용하면 큐비트가 계산을 수행하고 결과를 명확하게 표시하는 것을 어렵게 만드는 양자 컴퓨터 회로의 일반적인 문제인 소음을 줄이는 데 큰 도움이 됩니다.

사진은 장치의 중앙 작업 영역을 보여줍니다. 하단 섹션에서 세 개의 큰 직사각형(연한 파란색)은 오른쪽과 왼쪽에 있는 두 개의 양자 비트 또는 큐비트와 중앙의 공진기를 나타냅니다. 위쪽의 확대된 부분에서 안테나(하단의 큰 진한 파란색 직사각형)를 통해 마이크로파를 구동하면 SQUID 루프(중앙의 더 작은 흰색 정사각형, 측면 길이가 약 20마이크로미터)에 자기장이 유도됩니다. 자기장은 토글 스위치를 활성화합니다. 마이크로파의 주파수와 크기는 스위치의 위치와 큐비트와 공진기 간의 연결 강도를 결정합니다. 크레딧: K. Cicak 및 R. Simmond

NIST 물리학자이자 논문 저자 중 한 명인 Ray Simmonds는 “목표는 방해 없이 계산할 수 있도록 큐비트를 행복하게 유지하는 동시에 우리가 원할 때 읽을 수 있도록 하는 것입니다.”라고 말했습니다. "이 장치 아키텍처는 큐비트를 보호하는 데 도움이 되며 큐비트에서 양자 정보 프로세서를 구축하는 데 필요한 충실도 높은 측정을 수행하는 능력을 향상시킬 것을 약속합니다."

이 팀에는 매사추세츠 대학 로웰(University of Massachusetts Lowell), 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder) 및 Raytheon BBN Technologies의 과학자도 포함되어 있습니다.

양자 컴퓨터 설계자가 직면한 문제 중 하나는 컴퓨터를 만드는 데 사용되는 재료의 결함으로 인해 발생하는 외부 또는 내부 소음에 의해 양자 회로가 흔들리는 것입니다.

이 잡음은 본질적으로 큐비트 계산에서 오류를 일으킬 수 있는 무작위 동작입니다.

현재의 큐비트는 본질적으로 그 자체로 시끄럽지만 이것이 유일한 문제는 아닙니다. 많은 양자 컴퓨터 설계에는 프로세서의 각 큐비트가 이웃 및 판독 공진기에 물리적으로 연결되는 정적 아키텍처라는 것이 있습니다.

큐비트를 함께 연결하고 판독값으로 연결하는 조작된 배선은 큐비트를 더 많은 소음에 노출시킬 수 있습니다.

이러한 정적 아키텍처에는 또 다른 단점이 있습니다. 쉽게 다시 프로그래밍할 수 없다는 것입니다. 정적 아키텍처의 큐비트는 몇 가지 관련 작업을 수행할 수 있지만 컴퓨터가 더 넓은 범위의 작업을 수행하려면 다른 프로세서 설계를 다른 큐비트 조직 또는 레이아웃으로 교체해야 합니다.

(다른 소프트웨어를 사용해야 할 때마다 노트북의 칩을 바꾸는 것을 상상해 보십시오. 그런 다음 칩을 절대 영도보다 약간 높게 유지해야 한다고 생각하면 이것이 왜 불편한지 알 수 있습니다.)

팀의 프로그래밍 가능 토글 스위치는 이러한 문제를 모두 회피합니다. 첫째, 판독 공진기를 통해 회로 잡음이 시스템에 유입되는 것을 방지하고 큐비트가 조용해야 할 때 서로 대화하는 것을 방지합니다.

Simmonds는 “이것은 양자 컴퓨터에서 소음의 주요 원인을 줄입니다.”라고 말했습니다.

둘째, 요소 간 스위치의 개폐는 정적 아키텍처의 물리적 연결을 통하는 것이 아니라 멀리서 전송되는 일련의 마이크로파 펄스를 통해 제어됩니다. 이러한 토글 스위치를 더 많이 통합하면 보다 쉽게 ​​프로그래밍할 수 있는 양자 컴퓨터의 기초가 될 수 있습니다.