첨단 초전도 기술로 도약하는 양자컴퓨팅

새로운 기술인 양자 컴퓨팅은 양자 메커니즘의 법칙을 활용하여 기존 컴퓨터의 능력을 넘어서는 복잡한 문제를 해결합니다. 

이러한 양자 컴퓨터는 큐비트(또는 양자 비트)에 정보를 저장합니다. 기존 비트와 달리 이러한 큐비트는 0과 1의 이진 상태 이상으로 존재할 수 있으므로 계산을 훨씬 빠르게 수행할 수 있습니다. 

그 위에, 이 큐비트는 다양한 형태로 나타납니다, 하전된 이온 또는 원자를 사용하는 트랩된 이온 큐비트를 포함합니다. 가벼운 입자를 사용하는 광자 큐비트; 전류가 주위를 이동하는 회로 루프인 초전도 큐비트도 있습니다.

'고체' 양자 컴퓨팅의 일부인 초전도 큐비트는 1999년에 처음 시연되었습니다. 그 이후로 큐비트 기술의 주요 형태 중 하나로 발전하여 에너지 소모 감소, 저항 감소, 결맞음 감소, 확장 가능한 양자 회로, 고속 큐비트 연산, 안정적인 큐비트 상태, 고충실도 큐비트 제어, 오류 정정과 같은 이점을 제공합니다.

지난 10년 동안 초전도 양자 컴퓨팅은 기능성 양자 컴퓨터를 구축하는 데 널리 사용되는 옵션이 되었으며 지속적인 연구를 통해 이를 현실화하는 데 더 가까워졌습니다.

초전도체 재료의 최근 혁신

바로 이번 주에 한 연구팀이 양자 컴퓨팅을 위한 새로운 초전도체 재료 개발에 관한 연구를 Science Advances에 발표했습니다.

새로운 초전도체 물질은 양자 정보를 전달하고 데이터를 처리하기 위해 홀이나 전자의 비국소화된 상태를 사용하는 유형인 "위상 초전도체"의 후보입니다.

캘리포니아 대학의 물리학자 Peng Wei는 삼각 텔루르를 결합한 연구팀을 이끌었습니다., 비자성 물질 겹쳐지다 거울상에는 금박막 표면에 생성된 표면 상태 초전도체가 있습니다.

이 조합 2D 인터페이스 초전도체 생성 스핀 분극이 강화되어 여기가 잠재적으로 다음을 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 안정적인 스핀 큐비트. 이 획기적인 초전도체 소재는 양자 컴퓨팅 구성 요소의 확장성과 신뢰성에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 

“키랄 물질과 금 사이의 매우 깨끗한 인터페이스를 만들어 우리는 2차원 인터페이스 초전도체를 개발했습니다. 인터페이스 초전도체는 기존 초전도체보다 스핀 에너지가 6배 더 강화된 환경에서 살기 때문에 독특합니다.”

– 웨이(Wei), 물리학 및 천문학 부교수

자기장 하에서 물질은 추가로 보였다 삼중항 초전도체로의 사용을 제안하는 전환을 통해 보다 강력한 양자 컴퓨팅 구성 요소로 이어질 수 있습니다. 기본적으로 낮은 자기장보다 높은 자기장에서 더 견고해졌습니다. 

더욱이, 이 신기술은 더욱 깨끗한 인터페이스를 위해 비자성 재료를 사용함으로써 자연스럽게 결어긋남의 원인도 억제합니다., 이는 양자 컴퓨팅의 과제입니다.

연구진은 또한 초전도체의 능력 양자 컴퓨팅의 핵심 구성 요소인 최고 품질의 저손실 마이크로파 공진기로 만들어집니다. 따라서 이는 저손실 초전도 큐비트로 이어질 수 있습니다. 

큐비트 시스템에서 양자 정보의 결맞음 또는 손실을 줄이는 것이 양자 컴퓨팅의 가장 큰 과제라는 점을 고려할 때, 이 연구는 보다 확장 가능하고 안정적인 양자 컴퓨팅 구성 요소를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 웨이에 따르면:

"우리는 양자 컴퓨팅 산업에서 일반적으로 사용되는 것보다 10배 더 얇은 재료를 사용하여 이를 달성했습니다."

이러한 마이크로파 공진기의 품질 계수는 1백만에 이릅니다.

일주일 전, UCLA가 이끄는 팀은 양자 컴퓨팅에 대한 가능성을 보여주는 새로운 자료를 제시하는 연구도 발표했습니다. 

이 물질은 평소보다 훨씬 높은 자기장에서도 초전도 특성을 유지하고 초전도 다이오드 효과를 나타냈습니다. 한 방향으로 더 많은 전류가 흐르게 하는 이 효과는 일반적으로 키랄 초전도체에서 볼 수 있으며 전통적인 초전도체에서는 거의 볼 수 없습니다.

기존 초전도체에서 키랄 거동을 유도하기 위해 연구진은 2차원 물질인 이황화 탄탈륨(TaS2)을 사용하여 키랄 분자층과 층상 구조를 만들었습니다.

이 연구는 양자 컴퓨팅의 효율성과 안정성을 향상시키고 기존 전자 장치를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.

Qubit 제어 및 확장성의 혁신

세상을 획기적으로 바꿀 수 있는 양자컴퓨터가 등장하면서 전 세계적으로 실용적인 양자컴퓨터 구축 경쟁이 벌어지고 있다.

그러나 양자 컴퓨터의 성장을 가로막는 가장 큰 과제 중 하나는 확장성입니다. 이는 충분히 큰 컴퓨터가 실제 문제를 해결할 수 있음을 의미합니다. 유용한 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 갖기 위해서는 더 많은 큐비트가 필요하거나 계산 중에 발생하는 오류를 줄일 수 있는 안정적인 방법이 필요합니다.

따라서 일본의 연구자들은 관리 가능한 큐비트 수를 늘리고 필요한 큐비트 수를 줄여 문제를 해결하기 시작했습니다.

몇 달 전, 연구원들은 저온에서 많은 큐비트를 제어할 수 있는 초전도 회로를 성공적으로 시연했습니다.

이번 실험에서는 초전도 회로 줬습니다 마이크로파 다중화를 이용하여 단 하나의 케이블로 여러 큐비트를 제어할 수 있습니다. 이 회로는 케이블당 마이크로파 신호 밀도를 약 1,000배 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 성과는 제어 가능한 큐비트 수를 크게 증가시키고 대규모 양자 컴퓨터 개발에 기여할 수 있습니다.

큐비트와 상온 전자공학의 중간 단계에 필요한 하드웨어를 줄이기 위해 혁신적인 '저온 전자공학'이 개발되었습니다. '저온 전자공학'은 큐비트 근처의 극저온에서 작동하는 큐비트 제어 및 판독용 전자공학입니다. 

극저온 전자공학은 또한 절대 영도보다 4도 높은 고속 클록 주파수에서 작동하는 것으로 입증되었습니다. 이제 큐비트 옆에서 발생하는 열을 최소화하기 위해 에너지 소비를 줄이는 데 중점을 둡니다. 

일본 연구자들의 또 다른 초점은 처리 오류를 수정하는 방법을 찾는 것입니다. 이런 가운데 프린스턴대 연구진이 오류 없는 양자컴퓨팅을 위한 제조 기술을 개발했다.

이 연구에서 과학자들은 위상 절연체인 텅스텐 디텔루라이드(WTe2) 위에 초전도층을 형성했습니다. 이 기술은 절연체 표면 위에 증착된 금속(팔라듐)의 '시드'를 사용하여 저항이 7인 새로운 결정 구조인 Pd2WTeXNUMX를 형성했습니다.

원자 확산 기술은 MoTe2(몰리브덴 디텔루라이드)를 포함한 다양한 성분에 성공적으로 적용됩니다.

이것이 위상 초전도체인지 확인하기 위해서는 추가적인 테스트가 필요하지만, 연구진은 이 일반적인 방법을 통해 새로운 초전도체를 만들 수 있다고 믿고 있습니다.

결맞음 문제 해결 및 성능 향상

양자 컴퓨팅의 또 다른 돌파구는 올해 초 연구원들이 초전도 회로에 대한 새로운 접근 방식을 도입하면서 나타났습니다. 이 접근 방식은 양자 컴퓨터의 런타임을 크게 확장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

우리가 언급한 것처럼, 큐비트의 양자 상태가 얼마나 쉽게 불안정해질 수 있는지 때문에 그러한 컴퓨터의 지속적인 작동이 중단됩니다. 이를 결맞음이라고 하며 계산에 오류가 발생합니다. 이는 다른 큐비트 및 해당 환경과의 상호 작용으로 인해 발생합니다.

그리고 초전도 큐비트는 최단 시간 내에 서로 다른 상태 간 전환을 가능하게 하기 때문에 점점 더 많은 연구의 초점이 되고 있습니다. 그러나 스위칭 시간을 향상시킬 수 있는 반면, 밀리초 단위의 짧은 시간에도 결맞음에 더 취약합니다.

그래서 국제적인 연구자 그룹은 "플라워몬(flowermon)"이라고 불리는 조셉슨 접합 설계를 제안했습니다. 이 디자인은 구리를 기반으로 한 초전도 물질인 1원자 두께의 구리산염 플레이크 2개를 사용합니다.

"플라워몬은 보호된 양자 회로에 비전통적인 초전도체를 사용한다는 오래된 아이디어를 현대화하고 이를 새로운 제조 기술 및 초전도 회로 일관성에 대한 새로운 이해와 결합합니다."

– 독일 막스플랑크 고체화학물리연구소 물리학자 유리 볼(Uri Vool)

연구팀의 계산에 따르면, 이 설계는 잡음을 줄이고, 나아가 큐비트의 결맞음 시간을 수십 배나 증가시킬 수 있습니다. 그러나 이는 순전히 이론적인 것이며, 연구팀은 이 결과를 활용하여 향후 초전도 큐비트를 최적화할 계획입니다.

양자 컴퓨터의 성능을 해결하기 위해 작년에 미네소타 트윈 시티 대학의 연구팀은 양자 컴퓨터를 확장하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 인공 지능 시스템을 개선하는 데 도움이 될 수 있는 조정 가능한 초전도 다이오드를 개발했습니다. 

다이오드는 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 장치이다. 일반적으로 반도체로 만들어지지만 연구자들은 도중에 전력 손실 없이 에너지 전달이 가능한 초전도체로 다이오드를 만드는 방법을 연구해 왔습니다.

미네소타 대학교 물리학과 부교수이자 수석 연구 저자인 Vlad Pribiag 천문학, 주의 :

"우리는 컴퓨터를 더욱 강력하게 만들고 싶지만 현재의 재료와 제조 방법으로는 곧 부딪히게 될 몇 가지 어려운 한계가 있습니다." 

컴퓨팅 성능을 향상시키는 데 가장 큰 과제는 에너지를 소비하는 것이므로 팀은 초전도 기술을 사용하기로 결정했습니다.

초전도 다이오드 장치 지어졌다 3개의 조셉슨 접합을 사용합니다. 초전도체 사이에 비초전도 물질 조각을 끼워 만든 반면, 연구진은 초전도체를 반도체 층으로 연결했다. 

이 독특한 설계 덕분에 연구진은 전압을 사용하여 장치의 동작을 제어할 수 있었습니다. 또한, 각각 하나의 입력과 출력만 처리할 수 있는 일반 다이오드와 달리 여러 개의 전기 신호를 동시에 처리할 수 있습니다. 이러한 특징 덕분에 초전도 다이오드는 뇌에서 영감을 받은 뉴로모픽 컴퓨팅에도 활용될 수 있습니다.

뉴로모픽 컴퓨팅에서 전기 회로는 성능을 향상시키기 위해 인간 두뇌에서 뉴런이 작동하는 방식을 복사하도록 설계되었습니다.

논문의 제1저자인 모히트 굽타에 따르면, 이 새로운 초전도 다이오드는 다른 초전도 다이오드보다 에너지 효율이 높습니다. 더 구체적으로, 이 다이오드는 에너지 흐름을 제어하는 ​​일련의 게이트를 처음으로 탑재했습니다. 이러한 기능은 이전에 초전도 다이오드에 도입된 적이 없었지만, 이번 연구는 "게이트를 추가하고 전기장을 인가하여 이 효과를 조절할 수 있음을 보여주었습니다." 

또한 이번 연구에 사용된 소재는 보다 산업친화적이며 새로운 기능을 전달할 수 있는 소재였다.

본 연구에서 사용된 기술은 더 나아가 이용되다 어떤 것과 유연성이 뛰어나고 산업 응용 분야와 호환되는 초전도체입니다. 이러한 특성은 더 폭넓은 용도로 양자 컴퓨터의 개발을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재 시중에 나와 있는 양자 컴퓨팅 기기들은 모두 실제 응용 프로그램의 요구에 비해 매우 기본적인 수준에 머물러 있습니다. 유용하고 복잡한 문제를 해결할 수 있을 만큼 강력한 컴퓨터를 갖추려면 확장이 필수적입니다.

– 프리비아그

이 AI 사용이 크게 증가함에 따라 오늘날 특별한 의미를 갖습니다. 이 이로 인해 사람들은 기존 컴퓨터의 성능을 능가하는 컴퓨터나 AI 머신 알고리즘을 연구하게 되었습니다. 프리비아그는 이 연구가 양자 컴퓨터가 이러한 알고리즘을 구현할 수 있도록 하는 하드웨어를 개발하고 있다고 언급했습니다. 

이 연구는 주로 미국 에너지부의 자금 지원을 받았고, 국립과학재단과 마이크로소프트 연구소의 일부 지원을 받았습니다.

성능에 영향을 주지 않고 2D 재료로 큐비트 축소

지속적인 연구 개발로 인해 과학자들은 일반적인 큐비트보다 훨씬 작은 초전도 큐비트를 구축하게 되었습니다. 이러한 초전도 큐비트는 2D 재료를 사용하여 제작되었습니다.

기존 컴퓨터의 속도와 용량을 능가하기 위해서는 양자 컴퓨터의 큐비트가 동일한 파장에 있어야 합니다. 이를 위해 연구자들은 일반적으로 큐비트의 크기를 희생해야 하는데, 이는 트랜지스터가 나노미터 단위로 줄어든 기존 컴퓨터와 달리 오늘날에도 밀리미터 단위로 측정되기 때문입니다.

컬럼비아 대학교 기계공학과 왕 퐁젠 교수인 제임스 혼은 성능을 유지하면서도 큐비트의 크기를 줄여 물리적인 면적을 크게 차지하지 않도록 매우 작은 초전도 큐비트 커패시터를 선보였습니다.

이전에는 엔지니어들이 평면 커패시터를 사용하여 큐비트 칩을 제작했습니다. 여기, 충전된 접시 설정 나란히, 그리고 동시에 그들은 쌓을 수 있습니다 공간을 절약하기 위해 큐비트 정보 저장을 방해할 수 있습니다.

그래서 혼의 박사과정 학생인 안잘리 라젠드라와 아비난단 안토니는 초전도 니오븀 디셀레나이드의 두 대전된 판 사이에 질화붕소 절연층을 삽입했습니다. 원자 한 개 두께에 불과한 이 층들은 정전기력 사이의 약한 상호작용인 반데르발스 힘으로 서로 연결되어 있습니다. 

그런 다음 커패시터를 알루미늄 회로와 결합하여 칩을 만들었습니다. 이 칩은 35개의 큐비트를 갖고 있으며 두께가 1,000나노미터에 불과해 기존 접근 방식을 사용하여 생산된 칩보다 XNUMX배 작습니다.

냉각되면 큐비트는 동일한 파장을 갖게 됩니다. 그들은 또한 얽혀 하나의 단위로 행동하는 것으로 관찰되었습니다. 이 양자 일관성은 수명이 짧지만(1마이크로초 조금 넘게) 큐비트의 양자 상태를 전기 펄스를 통해 조작하고 읽을 수 있음을 의미합니다. 혼에 따르면:

“이제 우리는 2D 재료가 양자 컴퓨터를 가능하게 하는 열쇠를 쥐고 있다는 것을 알고 있습니다. 아직은 매우 초기 단계이지만, 이와 같은 발견은 전 세계 연구자들이 2D 재료의 새로운 응용을 고려하도록 자극할 것입니다. 우리는 이 방향으로 더 많은 작업이 이루어지기를 바랍니다. 앞으로. "

독특한 구조 덕분에 2차원(3D) 양자 재료는 재료 과학에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 2D 물질과 달리 XNUMXD 양자 물질은 원자 한 개 또는 몇 개의 원자 두께에 불과하며 전자는 세 방향 모두로 이동할 수 있습니다.

인기 있는 2D 재료로는 실리센, 그래핀, 게르마넨, 스탠넨, 포스포렌, 전이금속 디칼코게나이드(TMDC), 육방정 질화붕소(h-BN) 등이 있습니다.

이러한 재료는 혁신적인 기술 응용을 위한 다양한 특성과 잠재력을 제공하지만 합성, 통합 및 확장성 측면에서 어려움을 겪고 있습니다. 극복하다 전에 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 혁명을 이끄는 주요 기업

이제 초전도체와 양자 컴퓨팅에 참여하는 몇몇 유명 회사를 살펴보겠습니다.

# 1. 알파벳 (Google)

알파벳 막대한 투자를 받고 있다 자회사 Google Quantum AI를 통해 양자 컴퓨팅 연구를 진행하고 있습니다. 이 부서는 시카모어(Sycamore)라는 초전도 양자 프로세서를 만들었는데, 이는 2019년에 완성할 수 있었다 강력한 슈퍼컴퓨터라도 200년이 걸렸을 계산을 10,000초 안에 완료합니다. 그 이후로 Sycamore 양자 프로세서는 크게 성장했으며 이제 70큐비트를 보유합니다., 이전 모델보다 241억 XNUMX만 배 더 강력해졌습니다.

거대 기술 기업의 시가총액은 2.06조 XNUMX억 달러이며, 그 주식(GOOGL):나스닥) YTD 165.68% 상승한 $18.56에 거래되었습니다. 2년 2024분기에 알파벳은 순이익이 28.6% 증가한 23.6억 달러를 기록했고, 총 수익은 14% 증가한 84.74억 0.20천만 달러를 기록했습니다. Google 모회사는 또한 주당 XNUMX달러의 현금 배당금을 발표했습니다.

# 2. 엔비디아

NVIDIA는 파트너십과 협업을 통해 양자 컴퓨팅과 초전도체를 탐구해 왔습니다. 올해 3월, 회사는 오픈 소스 NVIDIA CUDA-Q™ 플랫폼을 통해 독일, 일본, 폴란드의 국가 슈퍼컴퓨팅 사이트에서 양자 컴퓨팅 노력을 가속화한다고 발표했습니다.

AI 시장의 사랑을 받는 엔비디아(NVIDIA) 주가는 올해 호황을 누리고 있으며, 161.24년 현재까지 2024% 급등했습니다. 이러한 상승세로 엔비디아 주가는 129.45달러에 거래되고 있으며, 시가총액은 3.188조 1억 달러에 달합니다. 엔비디아는 2024년 22.1분기에 XNUMX억 달러의 매출을 기록하며 사상 최고치를 기록했습니다.

맺음말

따라서 전 세계의 연구자, 기관, 그리고 기업들은 복잡한 문제 해결에 탁월한 양자 컴퓨팅을 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 특히 초전도 기술에 대한 집중은 상당한 진전을 촉진하고 이 혁신적인 기술의 잠재력을 최대한 실현하는 데 기여하고 있습니다. 

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