초전도 큐비트와 이온 트랩 큐비트의 차이: 원리·동작 환경·게이트 속도·결맞음·연결성 비교

둘 다 양자 컴퓨터의 큐비트를 만드는 대표적인 방식입니다. 초전도 방식은 조셉슨 접합과 커패시터로 만든 초전도 회로(트랜스몬 등)를 큐비트로 삼아 마이크로파 펄스로 조작합니다. 반도체와 같은 리소그래피로 칩에 만들 수 있는 반면, 희석 냉동기로 10 mK 정도까지 냉각해야 합니다. 이온 트랩 방식은 진공 중에 전기장으로 포획한 이온의 전자 에너지 준위를 큐비트로 삼아 레이저나 마이크로파로 조작합니다. 일반적으로 초전도 방식은 게이트가 빠르고, 이온 트랩 방식은 결맞음 시간이 길며 큐비트끼리 자유롭게 연결하기 쉽다는 특징이 있습니다.

비교 항목초전도 큐비트이온 트랩 큐비트
큐비트의 실체조셉슨 접합과 커패시터로 만드는 초전도 회로(트랜스몬 등)의 가장 낮은 2개의 에너지 준위진공 중에 포획한 이온(이터븀이나 칼슘 등)의 전자의 2개의 에너지 준위
만드는 방법칩 위에 리소그래피로 회로로서 만든다원자를 이온으로 만들고, 전극이 만드는 전기장으로 포획해 늘어세운다
동작 환경희석 냉동기로 10~20 mK 정도까지 냉각한다초고진공. 이온은 레이저로 냉각한다. mK까지 냉각하는 냉동기는 필요 없다(진공을 좋게 하기 위해 몇 K 정도로 냉각하는 장치도 있다)
조작 방법몇 GHz의 마이크로파 펄스레이저(또는 마이크로파)
게이트 속도의 기준빠르다. 2큐비트 게이트에서 수십~수백 ns 정도느리다. 2큐비트 게이트에서 몇 µs~수백 µs 정도로, 초전도 방식보다 2~3자릿수 느린 경우가 많다
결맞음 시간의 기준수십 µs~수백 µs 정도길다. 초 단위, 조건에 따라서는 그 이상
큐비트 간 연결성칩 위의 회로로 결합하므로 주로 이웃한 큐비트끼리같은 트랩 안의 이온은 공통 진동을 통해 임의의 조합으로 2큐비트 게이트를 수행할 수 있다
편차제조한 회로이므로 접합의 미세한 차이로 주파수가 흩어져, 큐비트마다 교정이 필요같은 종류의 이온은 모두 동일하며, 제조 편차가 없다
대규모화의 과제냉동기 안으로 끌어들이는 배선의 수와 열 유입, 큐비트 사이의 크로스토크, 재료 결함으로 인한 손실하나의 트랩에 늘어세울 수 있는 이온 수의 한계, 게이트의 느림. 이온을 이동시키는 방식이나 빛으로 트랩끼리 연결하는 방식이 연구되고 있다

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

초전도 큐비트
게이트의 빠르기를 살려 많은 회로를 짧은 시간에 실행하고 싶을 때. 반도체 제조 기술을 쓸 수 있으므로 칩 위에 많은 큐비트를 늘어놓기 쉬운 방식입니다.
이온 트랩 큐비트
긴 결맞음 시간과 큐비트끼리 자유롭게 연결할 수 있는 성질을 살리고 싶을 때. 한 번의 게이트는 느리지만, 큐비트 간 결합이 많은 회로를 연결 변경 조작 없이 실행하기 쉬운 방식입니다.

자주 묻는 질문

초전도 큐비트는 왜 10 mK 정도까지 냉각해야 하나요?

회로의 알루미늄을 초전도 상태로 만드는 것(약 1.2 K 이하)뿐 아니라, 열에 의한 들뜸과 잡음을 충분히 작게 하기 위해서입니다. 주파수 5 GHz인 큐비트의 에너지 hf를 온도로 환산하면 약 0.24 K이므로 그보다 충분히 낮은 온도로 해야 하며, 액체 헬륨의 약 4 K로는 부족합니다.

이온 트랩 방식에서는 왜 떨어진 큐비트끼리도 게이트를 수행할 수 있나요?

같은 트랩에 늘어선 이온은 쿨롱 힘으로 서로 밀어내고 있으므로 열 전체의 진동을 공유합니다. 레이저로 이온 내부의 상태와 이 진동을 결부시킴으로써, 이웃끼리가 아니어도 임의의 두 이온 사이에서 2큐비트 게이트를 수행할 수 있습니다. 다만 이온 수가 늘면 진동 모드가 빽빽해져 게이트가 어려워지므로, 하나의 트랩에 늘어세우는 수에는 한계가 있습니다.

게이트 속도와 결맞음 시간은 어떻게 비교하면 되나요?

절대적인 속도뿐 아니라, 결맞음 시간 동안 몇 번의 게이트를 수행할 수 있는지와 게이트의 충실도가 중요합니다. 초전도 방식은 게이트가 빠른 대신 결맞음 시간이 짧고, 이온 트랩 방식은 게이트가 느린 대신 결맞음 시간이 길므로, 방식끼리를 하나의 숫자로 비교할 수는 없습니다. 실제 성능은 큐비트 수뿐 아니라 충실도, 연결성, 읽기 오류 등을 함께 평가합니다.

이해도 확인

큐비트의 위상 완화 시간 T2와 에너지 완화 시간 T1의 관계로 올바른 것은?

  1. AT2는 T1과 무관하게 정해지며, T1의 100배 이상이 되는 경우도 흔하다
  2. BT2는 어느 큐비트에서나 T1과 같다
  3. CT2는 2T1을 넘지 않는다
정답과 해설 보기

정답: C. T2는 2T1을 넘지 않는다

T2는 중첩 α|0⟩ + β|1⟩의 상대 위상 정보가 사라질 때까지의 시간입니다. 에너지 완화가 일어나면 위상 정보도 사라지므로 1/T2 = 1/(2T1) + 1/Tφ(Tφ는 주파수의 요동 등에 의한 순수한 위상 완화 시간)의 관계가 있으며, T2 ≤ 2T1이 됩니다. 예를 들어 T1 = 100 µs, Tφ = 150 µs라면 T2는 약 86 µs입니다. 실제 큐비트에서는 자속이나 전하의 잡음에 의한 주파수 요동 때문에 T2가 2T1보다 상당히 짧은 경우가 흔합니다.

초전도 큐비트(트랜스몬)가 큐비트로 동작하기 위해 빼놓을 수 없는 소자는?

  1. Apn 접합 다이오드
  2. B플로팅 게이트를 가진 MOSFET
  3. C조셉슨 접합
정답과 해설 보기

정답: C. 조셉슨 접합

조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 두께 1~2 nm 정도의 얇은 절연막을 끼운 구조로, 전압이 생기지 않고 초전도 전류가 흐르며, 손실 없는 비선형 인덕터로 동작합니다. 트랜스몬은 이 접합과 커패시터를 조합한 공진 회로입니다. 보통의 코일과 커패시터로 된 LC 공진 회로에서는 에너지 준위가 등간격으로 늘어서므로 |0⟩과 |1⟩ 사이의 전이만을 골라 조작할 수 없지만, 접합의 비선형성에 의해 준위 간격이 등간격이 아니게 되어 가장 낮은 두 준위를 큐비트로 쓸 수 있습니다. 접합은 알루미늄과, 그 표면을 산화한 알루미늄 산화막으로 만드는 것이 일반적입니다.

초전도 큐비트를 희석 냉동기로 10~20 mK 정도까지 냉각하여 동작시키는 주된 이유는?

  1. A배선이나 접합을 초전도 상태로 만들고, 열에 의한 큐비트의 들뜸이나 열잡음을 충분히 작게 하기 위해
  2. B저온으로 하면 실리콘의 밴드갭이 넓어져 큐비트의 주파수가 높아지기 때문
  3. C저온에서는 전자의 이동도가 올라가 게이트 조작을 실온의 1,000배 빠르게 할 수 있기 때문
정답과 해설 보기

정답: A. 배선이나 접합을 초전도 상태로 만들고, 열에 의한 큐비트의 들뜸이나 열잡음을 충분히 작게 하기 위해

트랜스몬에 쓰는 알루미늄은 약 1.2 K 이하에서 초전도가 되어 저항에 의한 손실이 없어집니다. 게다가 주파수 5 GHz 정도인 큐비트의 에너지 hf를 온도로 환산하면 약 0.24 K이므로, 열에너지 kT가 이보다 충분히 작아질 때까지 냉각하지 않으면 열에 의해 |1⟩로 들뜨거나 배선으로부터 열잡음이 들어오거나 합니다. 그래서 액체 헬륨 온도인 약 4 K로는 부족하며, 헬륨3과 헬륨4의 혼합액을 사용하는 희석 냉동기로 10 mK 정도까지 냉각합니다. 큐비트의 속도는 이동도로 정해지지 않으며, 초전도 큐비트는 실리콘의 밴드갭도 사용하지 않습니다.

  1. 초전도 큐비트의 판독에 널리 쓰이는 분산 판독의 구조로 올바른 것은?
  2. 이온 트랩 방식 양자 컴퓨터의 특징으로 올바른 것은?
  3. 초전도 방식과 이온 트랩 방식을 비교한 설명으로 가장 적절한 것은?

양자 컴퓨터의 하드웨어 문제 풀기

주요 용어 설명

큐비트(Qubit)
양자 컴퓨터에서 정보를 나타내는 단위. |0⟩과 |1⟩의 중첩 α|0⟩ + β|1⟩ 상태를 취할 수 있으며, 측정하면 확률 |α|²로 0, |β|²로 1이 얻어진다. 초전도 회로, 이온, 중성 원자, 실리콘 속 전자의 스핀, 광자 등으로 실현된다. 양자 비트라고도 한다.
트랜스몬(Transmon)
조셉슨 접합과 커패시터를 조합한 초전도 큐비트. 주파수는 일반적으로 수 GHz이며, 접합의 비선형성에 의해 에너지 준위의 간격이 등간격이 아니게 되어, 가장 낮은 두 준위를 큐비트로 사용한다. 전하 잡음의 영향을 받기 어렵게 한 설계로, 초전도 방식에서 널리 쓰이고 있다.
조셉슨 접합(Josephson Junction)
두 초전도체 사이에 두께 1~2 nm 정도의 얇은 절연막 등을 끼운 구조. 전압이 생기지 않고 초전도 전류가 흐르며, 손실 없는 비선형 인덕터로 동작한다. 초전도 큐비트나 초고감도 자기 센서(SQUID), 전압 표준 등에 쓰인다. 큐비트에서는 알루미늄과 그 산화막으로 만드는 것이 일반적.
희석 냉동기(Dilution Refrigerator)
헬륨3과 헬륨4의 혼합액을 사용하여 10 mK 정도의 극저온을 연속으로 만들어 내는 냉동기. 초전도 큐비트나 실리콘 스핀 큐비트의 동작에 쓰인다. 가장 차가운 단의 냉각 능력은 십수~수십 µW 정도로 작으므로, 배선으로부터의 열 유입이 대규모화의 과제가 된다.
이온 트랩(Ion Trap)
전기장 등으로 이온을 진공 중에 포획해 두는 장치, 또는 그것을 이용하는 양자 컴퓨터 방식. 이온의 전자 에너지 준위를 큐비트로 하고, 레이저나 마이크로파로 조작한다. 큐비트가 모두 동일하고 결맞음 시간이 길며 충실도가 높은 반면, 게이트는 초전도 방식보다 느리다.
결어긋남(Decoherence)
큐비트가 주위 환경과 상호 작용함으로써 중첩의 위상이나 에너지 정보가 사라지고, 양자적인 성질이 무너져 가는 현상. 에너지 완화 시간 T1과 위상 완화 시간 T2로 그 속도를 나타낸다.
양자 게이트(Quantum Gate)
큐비트의 상태를 바꾸는 기본 조작. X(비트 반전), Z(위상 반전), H(아다마르) 등의 1큐비트 게이트와 CNOT 등의 2큐비트 게이트가 있으며, 블로흐 구 위에서는 회전으로 나타낼 수 있다. 초전도 큐비트에서는 마이크로파 펄스, 이온이나 중성 원자에서는 레이저 등으로 실현한다.

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