단기 양자 컴퓨터에서 점점 더 높은 큐비트 수를 쫓는 것은 끊임없이 새로운 공학의 업적을 요구합니다.
이 스케일업 경쟁의 골치 아픈 장애물 중 하나는 큐비트 측정 방법을 개선하는 것입니다. 이러한 측정에는 전통적으로 파라메트릭 증폭기라고 불리는 장치가 사용됩니다. 하지만 이름에서 알 수 있듯이 이 장치는 큐비트에서 가져온 약한 신호를 증폭하여 판독을 수행하여 원치 않는 노이즈를 유발하고 추가적인 큰 구성 요소로 보호되지 않으면 큐비트의 비일관성을 초래할 수 있습니다. 더 중요한 것은 크기가 제한된 냉장고에서 큐비트 수가 증가함에 따라 증폭 체인의 부피가 큰 크기는 기술적으로 작업하기가 어려워진다는 것입니다.
큐 알토 대학의 연구 그룹 퀀텀 컴퓨팅 앤 디바이스 (QCD). 그들은 열 볼로미터가 어떻게 초고감도 감지기로 사용될 수 있는지 보여주는 엄청난 실적을 가지고 있고, 그들은 4월 10일 네이처 일렉트로닉스 논문에서 볼로미터 측정이 단발 큐비트 판독에 충분히 정확할 수 있다는 것을 보여주었습니다.
새로운 측정 방법
많은 물리학자들이 유감스럽게도 하이젠베르크 불확정성 원리는 신호의 위치와 운동량, 즉 전압과 전류를 정확하게 동시에 알 수 없다는 것을 결정합니다. 따라서 파라메트릭 전압-전류 증폭기를 사용한 큐비트 측정도 마찬가지입니다. 하지만 볼로메트릭 에너지 감지는 하이젠베르크의 악명 높은 규칙을 피하는 수단으로 사용되는 근본적으로 다른 종류의 측정입니다. 볼로메트릭은 파워, 즉 광자 수를 측정하기 때문에 파라메트릭 증폭기처럼 하이젠베르크 불확정성 원리에서 비롯된 양자 잡음을 추가하지 않을 수 없습니다.
볼로미터는 최소 침습 검출 인터페이스를 통해 큐비트에서 방출되는 마이크로파 광자를 증폭기와 달리 매우 미묘하게 감지합니다. 이 폼 팩터는 증폭기보다 약 100배 작기 때문에 측정 장치로서 매우 매력적입니다.
“양자 최고의 미래를 생각할 때, 수천 또는 심지어 수백만의 높은 큐비트 수가 흔할 수도 있다는 것을 쉽게 상상할 수 있습니다. 이 대규모 스케일업을 위해서는 각 구성 요소의 설치 공간을 신중하게 평가하는 것이 절대적으로 필요합니다. 우리는 네이처 일렉트로닉스 논문에서 우리의 나노볼로미터가 기존의 증폭기의 대안으로 심각하게 고려될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 우리의 첫 번째 실험에서, 우리는 이 볼로미터가 추가된 양자 잡음이 없는 한 번의 주사로 판독할 수 있을 만큼 충분히 정확하다는 것을 발견했고, 이 볼로미터들은 단일 박테리아 내부에 들어갈 수 있는 온도에 민감한 부분인 작은 볼로미터에 있는 전형적인 증폭기들보다 10,000배나 적은 전력을 소비합니다.”라고 QCD 연구 그룹의 회장을 맡고 있는 알토 대학의 미코 뫼토넨 교수는 말합니다.
물리학자들은 한 번의 측정으로 큐비트의 상태를 평균적으로 측정하는 것이 아니라 한 번의 측정으로 큐비트의 상태를 얼마나 정확하게 감지할 수 있는지를 결정하는 데 사용하는 중요한 척도입니다. QCD 그룹의 실험의 경우 약 14마이크로초의 읽기 지속 시간으로 61.8%의 싱글샷 충실도를 얻을 수 있었습니다. 큐비트의 에너지 이완 시간을 보정하면 충실도가 92.7%까지 뛰어오릅니다.
“조금만 수정하면, 우리는 볼로미터가 원하는 99.9%의 단발성 충실도에 200나노초만에 접근하는 것을 볼 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 볼로미터 물질을 열용량이 더 낮고 에너지의 아주 작은 변화를 빠르게 감지할 수 있는 금속에서 그래핀으로 바꿀 수 있습니다. 그리고 볼로미터와 칩 자체 사이의 다른 불필요한 성분들을 제거함으로써, 우리는 판독 충실도를 훨씬 더 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 더 많은 큐비트 수까지 확장하는 것을 더 실현 가능하게 만드는 더 작고 간단한 측정 장치를 얻을 수 있습니다,” 라고 이 논문의 제1저자이자 QCD 그룹의 박사 연구원인 András Gunyhó가 말합니다.
가장 최근 논문에서 볼로미터의 높은 단일 샷 판독 충실도를 입증하기 전에 QCD 연구 그룹은 2019년에 볼로미터가 초고감도의 실시간 마이크로파 측정에 사용될 수 있음을 처음으로 보여주었습니다. 그리고 나서 그들은 2020년에 어떻게 그래핀으로 만들어진 볼로미터가 판독 시간을 마이크로초 이하로 단축할 수 있는지 보여주는 논문을 네이처에 발표했습니다.
이 작업은 핀란드 양자 기술 연구 센터(QTF)의 연구 위원회에서 핀란드의 VTT 기술 연구 센터 및 IQM 양자 컴퓨터와 협력하여 오타나노 연구 인프라를 사용하여 수행되었습니다. 이는 주로 유럽 연구 위원회 Advanced Grant ConceptQ와 Jane and Aatos Erko 재단 및 핀란드 100주년 재단의 Future Makers Program에 의해 자금이 지원되었습니다.