PC, 스마트폰 또는 현재 사용 중인 기타 장치와 같은 기존 컴퓨팅에서 정보는 0 또는 1의 이진 상태로 존재하는 비트로 처리된다. 이와 대조적으로 양자 컴퓨팅에는 정보 처리가 포함된다. 0과 1의 "중첩" 상태로 동시에 존재할 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 사용한다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 유형의 계산을 수행할 수 있다.

이러한 머신에서 사용할 수 있는 총 큐비트 수는 최근 몇 년간 꾸준히 증가했다. 추가 확장을 통해 양자 컴퓨터는 미래에 혁신적인 응용 프로그램이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 예를 들어, IBM은 최근 433큐비트 프로세서를 시연했으며 2033년까지 100,000큐비트 양자 슈퍼컴퓨터를 계획하고 있다. 성공적으로 개발되면 이러한 상상할 수 없을 정도로 방대한 계산 능력은 과학 및 기술의 여러 분야에 도움이 될 것이다. 분자 상호 작용을 더 빠르고 정확하게 시뮬레이션하면 신약, 화학 물질 및 재료의 발견이 가속화될 수 있다. 천문학, 기후 예측, 재무 모델 및 공급망 최적화 분야에서도 큰 개선이 있을 가능성이 높다.

그러나 더 높은 큐비트 수가 중요하지만 양자 컴퓨팅에서 자주 간과되는 지표는 일관성 시간이다. 이는 큐비트 중첩 상태의 "수명"으로 간주될 수 있으며, 이 기간 동안 유용한 계산을 수행할 수 있다. 즉, 일관성 시간은 큐비트가 외부 소음에 의해 손상되지 않고 안정적으로 유지되는 기회의 창이다. 일관성 시간이 길어질수록 양자 컴퓨터는 더 복잡하고 정확한 계산을 수행할 수 있다.

과학자들이 처음 양자 알고리즘을 시연하기 시작했을 때 큐비트의 수명은 나노 초에 불과했다. 20년이 넘는 시간 동안 재료 및 차폐 기술의 발전 덕분에 큐비트를 주변 환경으로부터 격리하는 기능이 크게 향상되었다. 그러나 무시할 만한 오류로 지속적으로 작동하려면 아직 갈 길이 멀다. 2020년 현재 중첩의 기록 지속 시간은 시카고 대학에서 달성한 22밀리초(ms)이다.

이제 연구진은 이 기록을 55% 확장하고 34ms가 가능한 시스템을 개발했다. 일관성 증가의 장기적인 추세를 유지하는 것 외에도 그들의 작업은 큐비트 관리의 여러 다른 측면을 개선해야 한다. 이스라엘 와이즈만 과학 연구소(Weizmann Institute of Science)의 연구 저자들은 이번 달 동료 심사 저널인 PRX Quantum에 논문을 게재했다.

과학자들의 혁신은 큐비트를 유지하는 초전도 공동에 특수 설계 및 재료(예: 고순도 니오븀)를 사용하는 데서 비롯되었다(아래 그림). 또한 그들은 큐비트 조작에 필수적인 "트랜스몬(transmon)"으로 알려진 공동과 다른 양자 요소 사이의 상호 작용을 미세 조정했다.

이 새로운 배열은 복잡한 계산과 양자 네트워크를 위한 매우 효율적인 '양자 메모리' 역할을 할 수 있으며, 계산 중에 발생할 수 있는 오류를 수정하는 방법인 '보소닉 양자 오류 수정'을 지원하는 데에도 사용될 수 있다.

논문에서 팀은 또한 이전 노력보다 훨씬 많은 총 1,024개의 광자를 사용하여 "슈뢰딩거 고양이 상태"를 성공으로 생성하고 측정한 방법을 설명한다. 분수 사고 실험의 이름을 딴 슈뢰딩거 고양이 상태는 입자가 관여(동시에 여러 상태)로 나타낼 수 있는 거의 상태로, 가상의 고양이처럼 살아 있는 죽어 있는 상태와 같다. 이 결과는 공동으로 더 복잡한 정보를 보유할 수 있다는 개념을 증명하는 역할을 한다.

"단일광자 생활의 추가 개선을 위해 노력하겠다"라고 그들은 결론을 내렸다. "예를 들어 표면을 제거하려면 진공 어닐링 단계를 사용하면 니오븀 공동의 품질이 높아지기 쉽다. 이러한 개선된 공동은 더 긴 일관성 있는 시간을 초전도 큐와 결합되어 혼성화로 확장하는 광자 뺄 수 있다. 이를 제외하고 초전도 가능하게 할 수 있다. 일관된 시간이 1초에 걸쳐 공동 큐비트이다."

이러한 훨씬 더 긴 일관성 있는 시간이 작동할 수 있다면 일반적으로 광자 감소로 인해 해결될 수 있는 구조에 대한 탐구적인 연구를 촉진할 수 있다고 팀은 예외이다.

요약하면, 새로운 초전도 공동은 큐 비트의 신뢰할 수 있는 개선을 개선하고 통합할 수 있는 작업을 가능하게 하는 방법을 제공한다. 이를 통해 우리는 제외되고 클로우즈업 컴퓨터에 한 걸음 더 가까워질 수 있다.