NTT, 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터 위한 모듈 방식 양자 광원 구현

2021-12-24 16:00 출처: NTT Corporation (도쿄증권거래소 9432)

도쿄--(뉴스와이어)--NTT 코퍼레이션[NTT Corporation, 이하 NTT, 사장 겸 CEO: 사와다 준(Jun Sawada), 치요다구, 도쿄](도쿄증권거래소: 9432)이 도쿄대학교[총장: 후지이 테루오(Teruo Fujii, 분쿄구, 도쿄) 및 RIKEN[이화학연구소, 이사장: 마쓰모토 히로시(Hiroshi Matsumoto), 와코시, 사이타마현]과 공동으로 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터를 구현하는 핵심 기술인 ‘광섬유 결합 양자 광원(압착 광원/squeezed light source)’[1]을 개발했다.

양자 컴퓨터는 양자 중첩 상태 및 양자 얽힘 상태와 같은 양자역학 특유의 현상을 이용해 병렬 연산 처리가 가능해 세계 각국이 연구 개발을 추진하고 있다. 다양한 방법이 고려되는 가운데 광자를 이용한 광양자 컴퓨터는 여러 장점이 있다. 예를 들어 다른 방법에서 요구되는 저온 및 진공 장치가 불필요해 소형화가 가능하고, 시간 영역 다중 양자 얽힘 상태를 생성해 마이크로 집적화나 장비의 병렬화 없이 큐비트 수를 쉽게 늘릴 수 있다. 또 광선의 광대역 속성 덕분에 고속 연산 처리가 가능하다. 양자 오차 보정은 이론적으로 광자의 유무를 이용하는 이산 변수를 사용하기보다는 광자의 우기성(parity)을 이용하는 연속적인 광선 변수를 활용해 가능한 것으로 나타났다. 이 방법은 저손실 광섬유 및 고기능 광학 소자와 같은 광통신 기술과 호환성이 높아 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터 구축의 비약적 발전을 기대할 수 있다.

광양자 컴퓨터를 구현하는 가장 중요한 부품 가운데 하나는 압착 광선을 생성하는 양자 광원으로 광양자 컴퓨터에서 양자적 성질의 근원이 된다. 특히 이에는 광섬유 결합 양자 광원이 바람직하다. 압착 광선은 짝수의 광자와 압착된 양자 노이즈를 갖는 특수 상태의 광선이며 양자 얽힘을 생성하는 데 사용된다. 또 압착 광선은 광자 수의 우기성을 활용하므로 양자 오차 보정에서 매우 중요한 역할을 한다. 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터를 실현하려면 고도로 압착된 양자 노이즈와 높은 양자 수 부품에서 짝수를 유지하는 양자 수 우기성과 함께 섬유 결합 압착 광원이 필요하다. 예를 들어 대규모 양자 연산에 사용될 수 있는 시간 영역 다중 양자 얽힘(2차원 클러스터 상태)[2]을 생성하려면 압착률이 65%를 넘어야 한다. 그러나 양질의 압착 광선을 생성하는 것이 어렵기 때문에 이런 소자는 아직 개발되지 않았다.

이 연구에서는 광통신 파장에서 작동하는 새로운 광섬유 결합 양자 광원을 개발했다. 이를 광섬유 부품과 결합해 광섬유 폐쇄형 시스템에서도 6테라헤르츠(THz)가 넘는 측대파 주파수로 양자 노이즈가 75% 이상 압착된 연속파의 압착 광선을 세계에서 처음으로 생성하는 데 성공했다. 이는 광양자 컴퓨터의 핵심 소자가 광선의 광대역 속성을 유지하면서 광섬유와 호환되는 형태로 구현됐음을 뜻한다. 이에 따라 광섬유 및 광통신 소자를 이용해 안정적이고 유지 보수가 필요 없는 광양자 컴퓨터를 개발할 수 있게 된다. 또 랙 크기의 대규모 광양자 컴퓨터 개발을 크게 진전시킨다.

이 연구 결과는 2021년 10월 22일(미국 시각) 미국 과학 저널 ‘Applied Physics Letters’에 게재됐다. 이 논문은 ‘Editor’s Pick’ 논문으로 선정되기도 했다. 이 연구의 일부는 일본과학기술진흥기구(JST: Japan Science and Technology Agency)의 문샷 연구 개발 프로그램(Moonshot Research and Development Program)이 지원했다.

[요점]

· NTT는 랙 크기의 광양자 컴퓨터를 구현하는 핵심 소자가 될 광섬유 결합 고성능 압착 광원 모듈을 개발했다.

· 개발한 섬유 결합 양자 광원 모듈과 광 통신 소자를 이용해 6THz 이상 광대역으로 양자 노이즈가 75% 이상 압축된 연속파 압착 광선을 광섬유 폐쇄형 시스템에서 생성하는 데 성공한 것은 이번이 처음이다.

· 이런 성과는 광통신 소자를 이용해 안정적이고 유지 보수가 필요 없는 광학 시스템에서 현실적인 규모로 광양자 컴퓨터를 개발할 수 있게 하고 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터 개발을 크게 앞당긴다.

[연구 배경]

세계 각국에서 범용 양자 컴퓨터 구현을 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 100개의 물리적 큐비트에 대해 초전도회로를 이용하는 양자 연산이 보고됐다. 그러나 내결함성 범용 양자 컴퓨터를 구현하려면 약 100만개의 물리적 큐비트가 필요하다. 따라서 큐비트 수를 늘리는 것이 양자 연산의 중요한 과제다. 초전도회로나 포획 이온(trapped ion)으로 100만 큐비트를 실현하기 위해 요소를 통합하고 장비를 병렬화해 큐비트 수를 늘리는 방법이 채택됐다. 한편 광양자 컴퓨터에서는 기존의 방법과는 완전히 다른 시간 영역 다중화 기술[3]과 측정 유도형 양자 조작[4]을 이용하는 압도적으로 대규모의 범용 양자 연산이 가능할 것으로 기대된다. 시간 영역 다중화 기술에서는 연속적으로 비행하는 광선을 시간상으로 구분하고 분리된 광선 펄스에 정보를 싣는다. 이런 방법으로 장비 크기를 늘리지 않으면서 시간 축 상의 큐비트 수를 쉽게 늘릴 수 있다[도표1 참조]. 더욱이 이론적으로 양자 수의 우기성과 광선의 연속 변수를 이용해 양자 오차 보정이 가능한 것으로 나타났다. 비행하는 광학 큐비트 운반 매체로 저손실 광섬유를 이용하면 광통신 소자와 결합해 대규모 양자 얽힘 상태를 자유롭게 안정적으로 생성할 수 있다. 구체적으로 4개의 압착 광원, 길이가 다른 두 개의 광섬유(광학 지연선), 5개의 광선 분할기[도표2 참조] 만으로 범용 양자 컴퓨터에 필요한 2차원 클러스터 상태를 대규모로 생성할 수 있다. 초전도 회로나 포획 이온을 이용하는 방법이 요소의 통합이나 장비의 병렬화가 있어야 하는데 반해 이는 집적화나 대규모 장비가 필요 없이 랙 크기의 현실적인 장비 규모로 범용 양자 연산을 가능케 한다. 또 이 방법은 고주파 광선을 이용해 고속 연산을 수행할 수 있다. 이는 고속의 양자 알고리즘을 구현할 수 있을 뿐 아니라 클럭 주파수를 높일 수 있어 광양자 컴퓨터를 통해 궁극적인 고속 정보 처리 기술을 실현할 수 있다.

지금까지 NTT는 이런 광양자 컴퓨터를 구현하기 위해 고도로 정밀하게 배치된 여러 거울로 구성된 공간 광학 시스템을 사용해 다양한 광양자 연산을 검증했다. 이는 광 손실을 최소화하고 광선 간의 간섭을 극대화하기 위한 것이다. 그러나 거울이 조금만 어긋나더라도 원하는 특성을 얻을 수 없고 실험마다 광선 경로를 다시 조정해야 했다. 이런 이유로 광양자 컴퓨터 실용화를 위해서는 작동 안정성이 뛰어나고 유지 보수가 필요 없어야 하며 광집적회로 또는 광섬유 등 광도파에 대해 폐쇄된 광학 시스템을 이용해야 한다. 특히 광양자 컴퓨터의 가장 기본적인 요소는 압착 광선이다. 이 특수한 광선은 비가환적인 물리량 쌍을 이루는 파동의 진폭 또는 위상의 양자 노이즈가 압착된 상태다. 이 광선은 생성이 어렵고 광 손실로 인해 쉽게 열화되므로 광섬유 결합 압착 광원에서 나오는 광선은 불량한 상태가 되기 쉽다. 특히 대규모 시간 영역 다중 양자 얽힘 상태(2차원 클러스터 상태)를 생성하는데 필요한 65% 이상 압착 광선은 광섬유 폐쇄 구성 설정에서는 실현되지 않았다.

[기술적 진전]

NTT는 저손실 섬유 결합 양자 광원 모듈(광 매개변수 증폭 모듈)을 개발했다[도표3 참조]. 모듈의 주요 부분인 주기적 분극반전 니오브산염 리튬(PPLN: periodically poled lithium niobate) 도파관의 제조 방법을 새롭게 해 저손실을 이뤄냈다. 이 모듈은 NTT가 개발한 광통신 소자 조립 기술을 이용해 저손실 광섬유 결합 모듈을 조립했다. 광섬유 부품을 연결하면서 6THz가 넘는 대역폭에서 양자 노이즈가 75% 이상으로 압축된 압착 광선을 측정하는 데 성공했다[도표4 참조]. 이는 광양자 컴퓨팅에 필요한 양자 상태가 완전한 광섬유 폐쇄형 시스템에서도 생성되고 측정될 수 있음을 의미한다. 따라서 개발된 섬유 결합 양자 광원은 안정적이고 유지 보수가 필요 없는 광양자 컴퓨터를 현실적인 규모로 구현하는 것을 가능하게 해 앞으로 개발을 크게 진전시킬 것이다.

이 실험에서는 첫 번째 모듈이 압착 광선을 생성하고 두 번째 모듈은 광양자 정보를 전통적인 광선 정보로 변환하는 새로운 방법을 사용했다. 광원으로 개발된 광 매개변수 증폭기는 양자 수 우기성을 유지하는 광 증폭을 달성하기 위해 반대 방향으로 사용된다. 종래의 균형 호모다인 검출 기술과 달리 이 측정 방법은 양자 신호를 전자(electron)로 바꾸지 않고 전통적 광신호로 증폭해 변환할 수 있다. 덕분에 압도적으로 빠른 측정이 가능하다. 이 기술은 향후 전(全) 광양자 컴퓨터를 구현하는 데 활용할 수 있으며 테라헤르츠 클럭 주파수에서 작동하고 압도적으로 빠른 전 광양자 컴퓨터 구현에 크게 이바지하게 된다.

[앞으로 전개]

첫 단계로 지금까지 개발한 다양한 광양자 연산과 광섬유 부품으로 이뤄진 광양자 컴퓨터를 개발하게 된다. 또 대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터를 구현하기 위해 양자 광원의 양자 노이즈 압착 능력을 개선하게 된다.

[연구를 위한 지원]

이 연구는 일본과학기술진흥기구(JST)의 문샷 R&D 프로젝트, 문샷 목표6: ‘2050년까지 경제, 산업 및 안전 보장을 비약적으로 발전시킬 내결함성 범용 양자 컴퓨터 구현’[프로그램 디렉터: 기타가와 가츠히로(Katsuhiro Kitagawa) 교수, 오사카대학교 공학대학원]과 R&D 프로젝트 ‘대규모 내결함성 범용 광양자 컴퓨터 개발’[프로젝트 매니저: 후루사와 아키라(Akira Furusawa) 교수, 도쿄대학교 공학대학원]이 지원했다.

[프로젝트 매니저 의견]

지금까지 대규모 양자 컴퓨터 구현에는 집적회로가 필수적인 것으로 여겨졌다. 그러나 이번 성공은 집적회로가 필요 없고 개발된 모듈과 광섬유 부품을 이용해 대규모 광양자 컴퓨터를 구현할 수 있음을 보여줬다. 이런 성과를 바탕으로 대규모 양자 컴퓨터가 실현됐고 기존의 판도를 바꾸는 기술이 탄생했다고 할 수 있다.

[용어 해설]

[1] 압착 광원(Squeezed light source)

비가환적인 물리량 쌍의 양자 파동(양자 노이즈) 중 하나가 압축됐을 때 생성되는 소자. 비선형 광학 현상을 효율적으로 유도하는 매개체를 통해 구현된다.

[2] 2차원 클러스터 상태(Two-dimensional (2D) cluster state)

어떤 양자 연산 패턴도 실현할 수 있는 대규모 양자 얽힘 상태. 2019년 도쿄대학교 후루사와 아키라 교수와 그의 동료들이 1만개가 넘는 광학 큐비트가 있는 2차원 광학 클러스터 상태를 구현했다[참고 문헌1 참조]

[3] 양자 얽힘 생성을 위한 시간 영역 다중화 기술(Time-domain-multiplexing technique for generation of quantum entanglement)

연속 양자 광원에서 방출되는 광선을 시간적으로 분리하고 분리된 양자파 패킷(펄스)을 광학 지연 간섭계로 간섭함으로써 제한된 수의 양자 광원으로부터 대규모 얽힌 상태를 생성하는 방법

[4] 측정 기반 양자 연산(Measurement-based quantum computation)

전 세계적으로 연구되고 있으며 게이트 기반 양자 컴퓨터와 대등한 범용 양자 연산을 수행할 방법. 개별 큐비트가 게이트 조작으로 얽히는 기존의 게이트 기반 양자 컴퓨팅과 달리 이 방법은 대규모 양자 얽힘을 미리 준비하는 것이다. 일부 큐비트를 관찰해 남아 있는 큐비트를 조작할 수 있다.

[참고문헌 1]

W. Asavanant 외, ‘시간 영역 다중 2차원 클러스터 상태 생성(Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state)’, Science 366, 373 (2019).

[게재 논문 정보]

가시와자키 타카히로(Takahiro Kashiwazaki), 야마시마 다이치(Taichi Yamashima), 다카나시 나오토(Naoto Takanashi), 이노우에 아스카(Asuka Inoue), 우메키 다케시(Takeshi Umeki) 및 후루사와 아키라(Akira Furusawa)

‘저손실 준단일 모드 PPLN 도파관 및 모듈방식 광대역 고단계 압착기 조립에의 적용(Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer)

Applied Physics Letters

DOI: 10.1063/5.0063118

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