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Nikkei X-TECH_2022.10.31

도쿄대학, NTT 등이 광양자컴퓨터에 불가결한 기술 개발
양자광의 펄스 파형을 자유자재로 제어

도쿄대학과 NTT 등은 10월 29일, 양자광의 펄스 파형을 자유자재로 제어하는 방법을 개발했다고 발표했다. 이것은 광양자컴퓨터에 불가결한 광원인 '양자 임의 파형 발생기(Q-AWG: Quantum Arbitrary Waveform Generator)'의 핵심이 되는 기술로, 이를 통해 광양자컴퓨터의 실현에 한 발짝 다가섰다고 한다.

도쿄대학의 다카세(高瀬) 조교와 후루사와(古澤) 교수, NTT, 정보통신연구기구(NICT), 이화학연구소로 구성된 연구팀이 이 기술에 관해 발표한 논문이 10월 28일(미국 시간), 미국의 과학저널 'Science Advanced vances'의 온라인판에 게재되었다.

도쿄대학의 후루사와 교수 등이 개발하고 있는 광양자컴퓨터는 ‘광자수 상태’나 ‘슈레딩거의 고양이 상태’ 등 다양한 양자 상태를 취하는 양자광을 사용한 것이다. 특히 광양자컴퓨터의 큐비트에는 슈뢰딩거의 고양이 상태를 취하는 양자광을 '밸런스형 타임빈 파형 펄스'로서 생성한 것을 사용한다. 이러한 양자광을 생성하기 위해서는 양자광의 펄스 파형을 자유자재로 제어할 수 있는 광원인 Q-AWG가 필요하다.

레이저광 등 양자광이 아닌 고전광의 경우, 임의의 펄스 파형으로 출력하는 '임의 파형 발생기(AWG:Arbitrary Waveform Generator)'가 이미 존재한다. AWG는 광필터(다른 파장을 가진 빛에 대해 선택적으로 투과시키는 장치)에 레이저광을 입사해 펄스 파형을 제어한다. 광필터를 통과할 때 큰 손실이 발생하지만, 고전광은 광 증폭기에 의해 물리적 성질이 바뀌지 않고 원상태로 복원될 수 있었다.

그러나 양자광의 펄스 파형 제어에는 고전광용 AWG는 이용할 수 없다. 양자광은 손실에 매우 약하기 때문에 광필터 통과로 양자광 특유의 물리적 성질을 잃게 되기 때문이다. 또한 양자광은 광 증폭기를 통과하면 양자성이 상실되기 때문에 원상태로 복원될 수 없다.

-- 양자 얽힘을 이용하여 양자광의 펄스 파형을 제어 --
이번에 연구팀은 양자광이지만 양자성을 잃지 않고 펄스 파형을 자유자재로 제어할 수 있는 방법을 고안했다. 그 열쇠가 되는 것이 2022년 노벨 물리학상 수상으로 화제가 된 '양자얽힘'이다.

연구팀이 고안해낸 방법에서는 우선 도쿄대학과 NTT가 공동으로 개발한 '광대역 스퀴즈드 광원'을 사용해 양자얽힘 상태에 있는 '양자광1'과 '양자광2'를 생성한다. 이 중 양자광2만 펄스 파형을 변화시키는 광필터를 통과시킨 뒤, 도쿄대학과 NICT가 공동 개발한 '초전도 나노스트립 단일광자검출기(SNSPD)'로 측정한다.

그러면 광자가 검출된 타이밍에 양자얽힘에 의해 양자광1의 펄스 파형이 광필터에 의해 변화한 양자광2의 펄스 파형과 같아진다. “양자얽힘을 통해 펄스 파형을 제어하기 때문에 (광필터에 의한) 광 손실 문제를 회피할 수 있다”(도쿄대학의 다카세 조교)라는 것이다.

광양자컴퓨터의 큐비트를 늘리려면 하나의 광축 위에 양자광 펄스를 빈틈없이 나열해야 할 필요가 있다. 펄스의 파형이 완만하면 이웃하는 펄스 간에 서로 악영향을 미치기 때문에 빈틈없이 나열하기 어렵다. 이에 반해 Q-AWG에 의해 생성되는 밸런스형 타임빈 파형의 양자광 펄스는 “완만하지 않고 급준한 펄스”(도쿄대학의 후루사와 교수)이기 때문에 빈틈없이 나열할 수 있다고 한다.

광축 상에 큐비트를 나열할 수 있는 수는 광대역 스퀴즈드 광원이 양자광을 생성하는 대역과 SNSPD가 광자를 검출하는 대역에 의존한다. 현재는 광원보다 SNSPD 대역이 낮기 때문에 SNSPD 대역이 큐비트 수를 결정한다.

후루사와 교수에 따르면, 현재의 SNSPD를 사용함으로써 100만 큐비트 정도 구현할 수 있다고 한다. 뿐만 아니라, SNSPD의 광대역화를 추진함으로써 그 수를 한층 더 늘릴 수 있을 것으로 전망하고 있으며, 도쿄대학과 NTT가 공동 개발한 광대역 스퀴즈드 광원은 최대 10억 큐비트를 구현할 수 있는 대역이 있다고 밝히고 있다.

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