양자 컴퓨터의 종류

양자 컴퓨터의 종류는 다양하다. 대표적으로 우리에게 잘 알려진 방식은 ion trap과 superconducting(초전도체) 방식이다. 양자 컴퓨터의 구현의 핵심 원리는 큐비트, 양자 게이트, 양자 결맞음, 큐비트 제어 및 측정 정도인데, 이와 같이 핵심적인 양자 컴퓨팅의 원리만 구현한다면 다양한 물리적 시스템에서 구현할 수 있다. 오늘은 다양한 양자 컴퓨터를 알아보자.

 

어닐러 (Annealers)

• 구글의 기초 이론에 집중한 방식
• D-Wave가 이 분야 선구자
• 확장성에는 제어가 있는 편
• 큐비트는 존재하나 제어가 잘 이루어치는 편은 아님
• 오류 수정이 어려움

이온 트랩 (Ion traps)

• 전자기 트랩을 사용
• 요즘 가장 인기 있는 접근 방식은 여러 전극이 패턴화된 표면을 활용
• 이러한 전극은 표면과 매우 가까운 개별 원자 이온을 트랩함
• 이온의 전자 내부 상태를 사용하여 컴퓨팅을 수행
• 마이크로파로 이러한 상태를 조작할 수 있고 레이저로 조작
• 빠르고 충실도가 높은 게이트를 구현하는 데 모든 시스템 중 가장 깨끗한 속성을 가지고 있음
• 과제는 주로 속도와 확장성, 아직까지는 수 십개의 이온으로 구현

중성 원자 (Neutral atoms)

• 레이저로 냉각 및 포획한 중성 원자의 내부 에너지 준위를 큐비트로 사용 = 하드웨어 셋팅 필요없음
• 새로운 원자를 지속적으로 로드해야 함
• 트래핑은 확률적, 이후 원자를 움직여 그리드를 밀도 있게 채워야 함
• 이온 트랩과 유사한 장점을 가지며 과제는 주로 속도와 확장성

광자 (Photons)

• 광자를 큐비트로 사용하여 광학 소자를 통해 양자 연산을 수행
• 양자 통신 및 특정 유형의 양자 알고리즘에 강점
• 광자 손실을 극복하고 광자를 빠르게 전환하는 것이 중요, 광자에 대한 성공/실패 여부도 빠르게 반응해야 함

양자점 (Quantum dots)

• 반도체 나노 구조에 전자를 가두어 스핀 또는 전하 상태를 큐비트로 활용
• 기존 반도체 기술과의 호환성이 장점
• 마치 작은 인공 원자와 같은 역할을 하며, 전자의 양자역학적 성질을 이용
• 결맞음 시간이 짧고, 큐비트 간의 제어 및 얽힘 생성이 어려움
• 외부 환경 변화에 민감

초전도체 (Superconductings)

• 극저온에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하여 양자 회로를 구현
• 특정 디자인의 초전도 회로(예: 트랜스몬, 플럭소늄)는 양자화된 에너지 준위를 가지며, 이를 큐비트로 활용
• 비교적 대규모 큐비트 시스템을 구축하기 용이하며, 게이트 연산 속도가 빠름
• 기존 반도체 공정 기술을 일부 활용할 수 있어 확장성 측면에서 유리
• 결맞음 시간이 다른 방식에 비해 짧고, 극저온 유지를 위한 복잡한 냉각 시스템이 필요
• 외부 잡음에 민감하여 오류 발생 가능성이 있음
• 현재 가장 활발하게 연구 개발이 진행되고 있는 방식 중 하나이며, IBM, Google, Rigetti Computing 등 주요 기업들이 초전도체 기반 양자 컴퓨터 개발에 집중

위상 양자 컴퓨터 (Topological)

• 특정 물질의 특이한 위상학적 성질을 이용하여 큐비트를 구현하고 연산을 수행
• 위상적 특성은 국소적인 노이즈에 강하여 큐비트의 안정성을 높일 수 있다는 장점
• 아직 이론 단계에 머물러 있으며, 실제로 위상학적 특성을 갖는 물질을 안정적으로 구현하고 제어하는 데 기술적인 어려움이 있음
• 마이크로소프트에서 집중하고 있는 방식 (마요나라1)