동향

양자컴퓨터 제어 기술

분야

전기/전자,정보/통신

발행기관

한국전자통신연구원

발행일

2021.06.01

URL


양자컴퓨터의 역사는 1982년, 리처드 파인만이 처음으로 개념을 제시하며 시작되었다[1]. 그 후, 쇼어 알고리즘과 그로버 알고리즘 등으로 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 특정 부분에서 계산을 빠르게 할 수 있음이 수학적으로 증명되며 양자컴퓨팅에 대한 기대감을 증폭시켰다[2,3]. 고전 컴퓨터와 비교하여 양자컴퓨터는 ‘중첩’, ‘얽힘’, ‘간섭’ 등 양자역학적 특징을 응용하는 컴퓨터이다. 이를 이용해 연산량 및 연산속도가 크게 증가하여, 양자컴퓨팅 기술은 암호학, 신소재 개발 등에 큰 도움이 될 것으로 기대된다[4]. 이처럼 다양한 분야에서 게임 체인저가 될 가능성이 대두되면서 수많은 기업과 국가에서 양자컴퓨터를 연구·개발하기 시작했다.

2019년, IBM에서는 초전도 방식의 상용 양자컴퓨터를 공개하였으며[5], Google은 53큐비트 규모의 양자컴퓨터를 이용하여 난수 증명 문제에서 고전 컴퓨터보다 양자컴퓨터가 더 빠른 연산을 보일 수 있음을 확인하였다[6]. 이러한 양자컴퓨팅 관련 연구는 각 국가마다 핵심 기술로서 연구개발을 지원하고 있다. 미국은 2018년 양자컴퓨터 부분의 기술우위 및 정책 방안 제시를 위해 5년간 한화 약 1조 4,000억 원을 투자하고 있다[7]. 또한 중국은 2018년부터 5년간 한화 약 16조 5,000억 원을 투자하여 양자 정보 과학 국가 연구소를 설립해, 양자 통신망 구축과 양자컴퓨터 개발에 착수하였다[8]. 이외에도 EU와 일본 등 선진국들 또한 양자컴퓨팅 분야를 포함한 양자 기술 부분에 투자 규모를 늘려나가고 있다[9,10].

다만 양자컴퓨터를 다양한 분야에서 범용적으로 사용할 수 있게 하려면, 양자 오류 정정을 활용하여 수백만 개 이상의 큐비트를 활용할 수 있어야 한다[11]. 이에 따라 양자 알고리즘을 수행할 때, 논리적 연산을 처리하는 부분과 하위 부분 등으로 분리하여 대규모 시스템을 계층화하여 손쉽게 사용할 수 있어야 한다. 하지만 현재 양자컴퓨팅 제어 방식으로는 수백만 큐비트 이상의 확장 가능한 양자컴퓨터를 제어하기가 어렵다. 최근 몇몇 연구기관들은 현재의 큐비트 제어 방법에서 탈피한 새로운 제어 방법을 고안하고 있다.

본 고에서는 큐비트를 제어하는 데 필요한 양자컴퓨팅 제어 기술 동향을 알아보고 기술의 주요 이슈들과 전망을 살펴본다. Ⅱ장에서는 양자컴퓨팅 구성요소를 서술한다. Ⅲ장에서는 반도체 양자점 양자컴퓨팅 제어구조를 서술한다. Ⅳ장에서는 범용 전자 장비 기반의 신호 생성 및 제어 기술의 문제점을 살펴본다. Ⅴ장에서는 Ⅳ장에서 드러난 문제의 해결책과 산업체 동향을 살펴본다. Ⅵ장에서는 전망 및 내용을 요약하며 본 고를 마무리한다

ABSTRACT
Quantum computers will be a game-changer in various fields, such as cryptography and new materials. 
Quantum computer is quite different from the classical computer by using quantum-mechanical phenomena, 
such as superposition, entanglement, and interference. The main components of a quantum computer can 
be divided into quantum-algorithm, quantum-classical control interface, and quantum processor. Universal 
quantum computing, which can be applied in various industries, is expected to have more than millions of 
qubits with high enough gate accuracy. Currently, It uses general-purpose electronic equipment, which is 
placed in a rack, at room temperature to make electronic signals that control qubits. However, implementing a 
universal quantum computer with a low error rate requires a lot of qubits demands the change of the current 
control system to be an integrated and miniaturized system that can be operated at low temperatures. In this 
study, we explore the fundamental units of the control system, describe the problems and alternatives of the 
current control system, and discuss a future quantum control system. 

KEYWORDS
반도체 양자점, 양자컴퓨팅, 큐비트 제어, 극저온, 모듈화, ASIC

* 출처 : ETRI 전자통신동향분석 제36권 제3호
* 자세한 내용은 첨부파일을 참고하여 주시기 바랍니다.

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