Nature Communications 저널에 게재된 새로운 초전도 큐비트에 대한 연구 결과는 다음과 같습니다.
초전도 큐비트
전통적인 계산 모델은 다음에 의존합니다.고전 역학의 법칙에 해당하는 물리적 솔루션. 예를 들어 대부분의 최신 프로세서가 작동하는 방식입니다. 양자 컴퓨팅은 정보를 전달하고 처리하기 위해 원자 및 아원자 입자 규모에서 발생하는 현상을 사용합니다.
양자 컴퓨팅에는 다양한 모델이 있으며,그러나 가장 인기 있는 방법은 큐비트와 양자 게이트를 사용하는 것입니다. 큐비트는 두 가지 가능한 상태가 있는 시스템이며, 그 중 하나에 있거나 둘 다 중첩될 수 있습니다. 양자 게이트는 기본 논리 연산을 수행하는 디지털 회로의 기본 요소입니다. 특정 법칙을 적용한 후 초기 값을 고려하여 큐비트의 상태가 어떻게 변경되는지 설명합니다.
양자 효과는초소형 규모에서 큐비트와 게이트를 생성하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 유용한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 많은 접근 방식 중에서 초전도 큐비트가 가장 인기를 얻었습니다. 이를 만들기 위해 엔지니어는 양자 효과가 거시적 수준에서 나타나기 시작하는 절대 영도에 가까운 온도를 사용합니다. 예를 들어, 기록적인 433큐비트를 포함하는 최근에 도입된 IBM 양자 프로세서에서 사용되는 기술이 바로 이 기술입니다.
쿠퍼커플과 트랜스몬
초전도체에서 대부분의 전하 캐리어Cooper 쌍입니다. 이것은 포논을 통해 상호 작용하는 두 전자의 속박 상태입니다. 그것은 제로 스핀과 전자 전하의 두 배에 해당하는 전하를 가지고 있습니다. 양자 컴퓨팅에 사용되는 것은 전체적으로 작동하는 이러한 입자입니다.
가장 간단한 전하 큐비트 또는 블록쿠퍼쌍(Cooper pair)은 그 상태가 섬에 과잉 쿠퍼쌍의 유무를 결정하는 요소이다. 이러한 구성 요소는 조셉슨 접합으로 초전도 저장소에 연결된 작은 초전도 섬으로 형성됩니다. 이 접합에서는 임계 전류가 억제되고 두 초전도체 사이의 얇은 절연층이나 비초전도층을 통해 터널 전류가 흐릅니다.
큐비트의 상태는 숫자에 따라 달라집니다.연결을 통해 터널링된 Cooper 쌍. 터널링 효과는 큐비트로 작동하는 양자 비조파 발진기를 설계하는 데 사용됩니다.
충전 큐비트 회로의 개략도. 섬은 게이트 커패시터와 접합 커패시턴스 사이의 초전도 전극에 의해 형성된다. 이미지: ETH
전하 큐비트는 다음을 사용하여 만들어집니다.마이크로 전자 공학에 사용되는 것과 유사한 기술. 이 장치는 일반적으로 전자빔 리소그래피 및 금속박막 증발을 사용하여 실리콘 또는 사파이어 웨이퍼 위에 구축됩니다.
이 경우 Josephson 접합은 다음과 같이 형성됩니다.그림자 증발을 사용합니다. 이는 모재 금속이 전자 빔 레지스트에서 리소그래피로 정의된 마스크를 통해 두 각도로 교대로 증발하는 프로세스입니다. 그 결과 두 개의 초전도 금속 층이 중첩되고 그 사이에 얇은 절연체 층이 증착됩니다.
이러한 큐비트는 만들기가 매우 쉽지만기존 컴퓨터에 사용되는 성숙한 기술을 사용하면 외부 소음의 영향으로 인해 빠른 결맞음(얽힘 해제)이 발생한다는 단점이 있습니다. 양자 컴퓨터가 유용한 계산을 수행하려면 포함된 정보가 100%에 가까워야 합니다. 큐비트가 위치한 물질 환경의 불완전성으로 인해 발생하는 충전 소음은 정보의 정확성에 부정적인 영향을 미칩니다.
4개의 트랜스몬으로 구성된 IBM 장치. 이미지: Jay M. Gambetta 외, Quantum Information
이러한 큐비트의 "수명"을 늘리려면2007년에 예일 대학교의 연구원들이 시스템을 완성하고 트랜스몬을 만들었습니다. 이것은 Josephson 접합이 대용량 커패시터로 추가로 분로되는 Cooper 쌍 블록입니다. 용량성 노이즈에 대한 민감도 감소로 인해 일관성 시간이 Cooper 쌍 블록의 경우 1–2ns에서 트랜스몬의 경우 거의 100ns로 증가했습니다.
Unimon은 새로운 초전도 큐비트입니다.
양자 프로세서의 유니몬에 대한 예술적 삽화. 이미지: Alexander Kakinen, Aalto University
상당한 개발 진전에도 불구하고현재 사용 중인 양자 컴퓨팅, 큐비트 설계 및 방법은 광범위하게 실제로 사용할 수 있을 만큼 충분히 높은 성능을 제공하지 않습니다. 구현된 계산의 복잡성은 주로 1큐비트와 2큐비트가 있는 양자 요소의 오류로 인해 제한됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은새로운 유형의 초전도 큐비트를 개발했습니다. 그들은 증가된 불협화음(고조파 "변동"에서 시스템 에너지의 편차), DC 노이즈에 대한 완전한 둔감성, 자기 노이즈에 대한 감소된 감도 및 간단한 구조를 결합합니다.
장치는 하나의 Josephson으로 구성됩니다.선형 인덕터에 의해 분로된 접합부 및 유도 에너지가 주로 조셉슨 에너지에 의해 보상되는 모드에서 작동하는 커패시터. 이 특성은 저주파 전하 잡음에 대한 완전한 내성과 유동 잡음으로부터 부분적인 보호와 함께 높은 수준의 비조화성을 초래한다고 연구원들은 지적합니다.
유니몬의 실험적 시연을 위해 과학자들은각각 3개의 유니몬 큐비트로 구성된 칩을 설계 및 제조했습니다. 그들은 초전도성 리드가 알루미늄으로 만들어진 Josephson 접점을 제외하고 니오븀을 초전도성 재료로 사용했습니다.
왼쪽:판독 캐비티(빨간색), 드라이브 라인(녹색) 및 프로브 연결 라인(노란색)과 함께 3개의 유니몬(파란색)을 포함하는 실리콘 칩의 인조 색상 현미경 이미지. 오른쪽: 유니몬을 측정하는 데 사용되는 단순화된 실험 설정. 이미지: Eric Hyyppä 등, Nature Communications
그들의 장치로 과학자들은3개의 서로 다른 유니몬 큐비트에서 13ns 단일 큐비트 게이트에 대해 99.8% ~ 99.9%의 정확도. 연구자들은 트랜스몬보다 더 높은 비조화성 또는 비선형성으로 인해 유니몬을 더 빠르게 작업할 수 있어 작업당 오류가 더 적다는 점에 주목합니다.
유니몬은 매우 단순하지만 많은 장점을 가지고 있습니다.트랜스몬스 앞에서. 최초의 unimon이 매우 잘 작동했다는 사실은 최적화와 주요 혁신을 위한 많은 여지를 열어줍니다.
Mikko Mettonen, 알토 대학교 양자 기술 교수
연구원들은 계속해서 개선을 위해 노력할 것입니다.설계, 재료 및 유니몬 게이트 시간을 99.99% 정확도 목표를 초과하여 많은 수의 큐비트를 기반으로 하는 실용적인 장치에서 유용한 양자 이점 및 효율적인 오류 수정을 생성합니다.
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