양자컴퓨터는 현재 우리가 사용하고 있는 컴퓨터와 다른 방식으로 동작합니다. 개발이 진행됨에 따라 관련 용어들도 많이 나오고 있는데요. 상식선에서 알아두는 것이 양자컴퓨터를 이해하는데 도움이 될 것으로 생각됩니다. 이 중 오늘은 ‘이온 트랩 방식’에 대해 정리해 보겠습니다.
이온 트랩이란?
이온 트랩은 전하를 띤 입자인 이온을 공간상에 고정시키는 장치입니다. 주로 사용되는 방식은 폴 트랩(Paul Trap)으로, 진공 상태에서 교류 전기장을 이용해 이온을 3차원 공간에 붙잡아 둡니다. 이 트랩은 링 전극과 두 개의 앤드캡 전극으로 구성되며, 고주파 교류 전압과 직류 전압을 조합하여 이온에 작용하는 유효 포텐셜을 만듭니다.
트랩된 이온의 내부 에너지 준위를 이용하여 큐비트를 구현합니다. 보통 기저 상태와 들뜬 상태를 각각 |0>과 |1> 상태로 정의합니다. 이온의 종류에 따라 다르지만, 예를 들어 칼슘(Ca+)의 경우 S와 D 오비탈의 전자 상태를 이용합니다.
양자 연산 구현
- 단일 큐비트 연산: 레이저 펄스를 이용하여 이온의 양자 상태를 조작합니다. 레이저의 주파수, 위상, 세기, 지속 시간을 정밀하게 제어하여 원하는 양자 게이트를 구현합니다.
- 다중 큐비트 연산: 이온들 사이의 쿨롱 상호작용을 이용합니다. 레이저로 이온의 진동 모드를 여기시키고, 이를 통해 이온들 간의 양자 정보를 교환합니다. 이를 통해 CNOT 게이트 같은 2큐비트 연산을 구현할 수 있습니다.
이온 트랩의 장점
- 긴 결맞음 시간: 이온은 외부 환경과 잘 격리되어 있어 양자 상태를 오랫동안 유지할 수 있습니다. 초 단위의 결맞음 시간이 보고되었습니다.
- 높은 충실도: 단일 큐비트 및 2큐비트 연산의 정확도가 99.9% 이상으로 매우 높습니다.
- 개별 제어 및 측정: 각 이온을 개별적으로 제어하고 측정할 수 있어 유연한 양자 연산이 가능합니다.
- 확장성: 이론적으로 많은 수의 이온을 트랩할 수 있어 대규모 양자 컴퓨터 구현의 가능성이 있습니다.
남은 과제
- 스케일링: 이온의 수가 증가하면 모든 이온을 동시에 제어하기 어려워집니다. 이를 해결하기 위해 QCCD(Quantum Charge-Coupled Device) 구조가 제안되었습니다.
- 레이저 제어: 많은 수의 레이저를 정밀하게 제어해야 하므로 복잡한 광학 시스템이 필요합니다.
- 잡음 및 오류: 외부 전자기장 변동, 레이저 불안정성 등으로 인한 오류를 최소화해야 한다.
연구 동향
- 표면 트랩: 평면 구조의 전극을 이용한 표면 트랩 기술이 개발되어 더 컴팩트하고 확장 가능한 시스템 구현이 가능해졌습니다.
- 하이브리드 시스템: 이온 트랩과 다른 양자 시스템(예: 초전도 큐비트)을 결합한 하이브리드 아키텍처 연구가 진행 중입니다.
- 양자 오류 정정: 이온 트랩 시스템에서 효과적인 양자 오류 정정 코드 구현 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.
맺음말
이온 트랩 방식은 높은 정밀도와 긴 결맞음 시간으로 인해 양자 컴퓨팅 분야에서 매우 유망한 기술로 평가받고 있으며, 앞으로도 지속적인 발전이 기대됩니다.