양자 컴퓨팅 전자기기 대 광자기기: 새로운 칩이 균형을 바꿀 것입니다

클라우드를 통해 확장 가능하고 Python으로 프로그래밍할 수 있는 양자 컴퓨팅 자원에 접근하고 싶으신가요? 캐나다 스타트업 Xanadu가 최근 이러한 접근성을 가능하게 하는 칩을 발표했습니다. 더 흥미로운 점은 이러한 유형의 칩이 양자 컴퓨팅 생태계에 어떻게 적합할지, 그리고 양자 컴퓨터에서 큐비트를 조작하기 위해 광자학을 어떻게 활용하는지입니다.

2021년이 AI의 해로 준비되고 있지만, 양자 발전은 여전히 헤드라인을 장식하고 있습니다, 2020년에 했던 것처럼. 2021년 3월 8일, Phys.org는 캐나다 스타트업 Xanadu와 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 다양한 양자 알고리즘을 실행할 수 있는 새로운 프로그래밍 가능한 칩을 발표했다고 보도했습니다. 이 보고서는 Nature지에 게재된 혁신적인 출판물을 따릅니다. 여기서 저자들은 그들의 칩이 상온에서 작동할 수 있다고 보고합니다. 이 칩은 이 블로그에서 보고한 이전의 양자 컴퓨팅 발전과는 다릅니다. 여기서는 RF 신호나 레이저가 크게 냉각된 시스템에서 큐비트를 조작하는 데 사용됩니다.

Xanadu의 칩은 광학 파장에서 빛, 즉 광자를 이용하여 작동한다는 점에서 독특합니다. 양자 컴퓨팅에서는 초전도 큐비트와 함정 이온 큐비트가 주목받고 있으며, 이러한 컴퓨팅 아키텍처는 일반적으로 큰 양자 컴퓨터에서 사용됩니다. Xanadu의 이 새로운 진전은 광자학 포트폴리오에서 새로운 승리를 의미하며, 이것이 양자 컴퓨팅 하드웨어의 새로운 표준이 될지 여부는 아직 미지수입니다.

광자학이 양자 우위를 보여줌

이 새로운 칩은 그 물리적 크기, 기능 방식, 그리고 더 큰 양자 IC나 프로세서에 통합될 수 있는 방식 측면에서 독특합니다. 우리는 양자 IC가 지난 50년 동안 전자 IC가 경험한 같은 규모의 확장과 통합을 따르기 시작하는 것을 보고 있습니다. 아래에는 Xanadu의 프로세서 아키텍처를 보여주는 개략도가 나와 있습니다. 이 칩은 완전히 광학적입니다; 펌프 빛(입력 데이터)은 I/O 커플러를 통해 회로에 공급됩니다. 칩에서 나온 출력은 출력 커플러에서 읽을 수 있으며, 초저온 검출기로 전송됩니다.

위에 표시된 구조는 입력에서 광자를 고도로 일관된 양자 상태인 "압축" 상태로 가두는 링 공진기 공동을 사용하며, 이는 상온에서 저장됩니다. 입력과 출력 사이의 중간 지점에서, 빔 분할기와 위상 변위기가 파동가이드와 연결되어 프로그래밍 가능한 양자 간섭계를 생성합니다. 이것이 입력 광자가 출력으로 전파될 때 상태의 프로그래밍 가능한 혼합을 가능하게 하는 것입니다. 마지막으로, 고전적인 전자 제어 모듈이 사용자 입력을 받고 배열의 각 빔 분할기와 위상 변위기를 구성하는 데 사용됩니다.

장점

이 구조는 매우 강력하며, 갇힌 이온 큐비트와 초전도 큐비트에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다:

• 다중 광자 작동: 현재 버전은 광섬유에서 데이터를 받지만, 버스 폭을 확장하여 하나 이상의 병렬 데이터 스트림을 제공할 수 있습니다.
• 낮은 손실: 링 공진기 구조와 파동가이드 구조는 전반사 덕분에 자연스럽게 빛을 한정시킵니다. 이는 다른 경쟁하는 양자 컴퓨터들이 매우 손실이 큰 것에 비해 큰 장점입니다.
• 실온: 초전도 큐비트와 갇힌 이온 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터는 극저온에서 작동해야 합니다. 이는 부분적으로 큐비트의 양자 상태 손실(디코히어런스)을 방지하고, 부분적으로는 인터커넥트와 큐비트가 초전도/갇힌 상태를 유지하기 위해서입니다. 실온에서 작동할 수 있다면 복잡한 냉각 시스템이나 큐비트 상태가 손실되지 않도록 보장하는 정밀한 레이저 냉각 설정의 필요성이 제거됩니다.
• 프로그래밍 가능: 이 장치는 Python 라이브러리로 구성할 수 있는 간단한 아키텍처를 가지고 있습니다. 이는 확장성과 통합에 있어 큰 장점이며, 이에 대해 아래에서 더 자세히 논의하겠습니다.
• 고도로 확장 가능: 표준 양자 컴퓨터, 예를 들어 갇힌 이온을 가진 마이크로파 공진기 캐비티를 기반으로 하는 컴퓨터의 주요 제한 요소 중 하나는 그들의 확장성입니다. 모든 것을 평면 칩 위에 구축함으로써 이러한 장치는 훨씬 더 확장 가능해지며, 표준 IC 아키텍처(2D, 2.5D 또는 3D)로 통합될 수도 있습니다.
• 실리콘 플랫폼: 실리콘을 광자 플랫폼으로 사용하는 것은 이러한 칩이 CMOS 공정에서 구현될 수 있도록 하여 확장성을 돕습니다. 광원과 검출기를 다이에 통합하는 것은 여전히 도전적이며, 보드에 통합하려면 빛을 공급하고 수집하기 위한 독특한 인터커넥트 스타일이 필요할 수 있습니다.

주의할 점은 칩만이 상온에서 작동한다는 것입니다; 검출기와 읽기 부분은 여전히 초저온에서 작동하지만, 이 시스템은 올바른 방향으로의 한 걸음입니다. 이 시스템의 더 중요한 측면은 이론적으로 양자 우위를 가능하게 할 수 있는 확장성입니다.

양자 우위

“양자 우위”라는 용어는 특정 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 해결할 수 없는 계산을 수행할 수 있다는 것을 단순히 의미합니다. 다중 입력 및 출력을 병렬로 수행할 수 있는 능력은 시스템을 확장 가능하게 만들 뿐만 아니라 양자 우위를 가능하게 합니다. 입력 포트의 수가 증가함에 따라 가능한 상태의 수도 증가하며, 이는 고전 컴퓨터가 출력 포트에서 모든 가능한 값을 시뮬레이션하는 데 필요한 시간을 증가시킬 것입니다.

양자 클라우드에서의 “Hello World!”

이 새로운 양자 프로세서는 이제 Xanadu의 클라우드 플랫폼에서 공개적으로 접근할 수 있으며, 개발자들은 양자 컴퓨팅 개발을 위한 회사의 Python 라이브러리인 PennyLane을 사용하여 자신만의 양자 알고리즘을 배포할 수 있습니다. 이것은 확장 가능한 범용 양자 컴퓨팅을 위한 올바른 방향으로의 또 다른 한 걸음입니다: 인기 있는 프로그래밍 언어로 양자 애플리케이션을 구축하기 위한 소프트웨어 스택의 개발입니다.

자신의 프로그램을 Xanadu의 클라우드에 배포하고 싶다면, 접근 권한을 요청해야 합니다. 접근 권한이 있다고 가정할 때, 다음 코드 블록을 사용하여 첫 번째 양자 알고리즘을 실행할 수 있습니다:

PCB 설계자에게 이것이 무엇을 의미하는가? 우리가 작고 가벼운 시스템을 양자 프로세서와 함께 구축하고자 한다면, 양자 칩과 인터페이스하기 위해 보드에 큰 광원과 검출기를 둘 수 없습니다. 시스템 크기를 줄이고 양자 프로세서를 PCB에 탑재할 수 있는 지점까지 내려가려면, 이러한 시스템의 광원과 검출기를 다이 레벨까지 통합해야 합니다.

이제 이러한 기능이 클라우드에서 접근 가능해지면서, 클라우드 커넥터 양자 컴퓨터에 데이터를 전송하는 임베디드 장치를 가질 수 있는 상상을 해보세요. 그 가능성은 놀라울 정도이며, 우리는 Xanadu의 아키텍처가 장치 레벨까지 도달하기를 바랄 뿐입니다.

새로운 기술이 전자 커뮤니티에 점점 두드러지게 되고 널리 사용 가능해짐에 따라, Altium은 혁신적인 엔지니어들이 기술의 한계를 넘어서는 전자 제품을 구축할 수 있도록 도울 것입니다. 전자 산업이 상용화된 양자 컴퓨팅 솔루션을 보기 시작하면, Altium Designer® 및 Altium 365™ 플랫폼을 사용하여 이러한 것들을 디자인할 수 있게 됩니다. 엔지니어링 및 기술 업데이트에 대한 블로그를 계속 지켜봐 주세요.