[Tsinghua University] 이온 양자 컴퓨터 연구실
2023-12-28
org.kosen.entty.User@574ce2ff
김기환(kimkihwan)
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저희 연구실은 중국 베이징에 위치한 칭화대학교 물리학과에 속해 있으며 2011년부터 포획된 이온을 이용하여 양자 컴퓨터를 개발하는 연구를 해오고 있습니다. 이번에 KOSEN을 통해서 연구실 소개를 할 수 있게 되어서 감사합니다. 연구실 지도교수인 김기환교수는 한국에서 물리학으로 박사를 받은 뒤 오스트리아 인스부르크와 미국 매릴렌드 대학에서 박사후 연수과정을 하고 칭화대에 임용되었습니다. 칭화대 물리학과는 해마다 최대 2명의 중국 박사과정 학생을 받을 수 있으나 다른 국적을 가진 학생의 경우에는 제한이 없습니다. 저희 연구실은 칭화대 물리학과뿐아니라 베이징 양자정보기술 연구소, 허페이 국가 양자 연구소에서도 지원을 받고 있습니다. 2023년 현재까지 저희 연구실에서 13명의 박사학생이 배출되었으며 대부분 학교나 회사에서 양자컴퓨터 관련연구를 지속하고 있습니다.
그림 1. 칭화대학교 전경
그림 2. 연구실 그룹사진
저희 연구실에서는 포획된 이온을 이용하여 양자정보과학기술을 개발하는 연구를 진행하고 있습니다. 양자정보과학기술에서 주요한 목표 중 하나는 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 양자컴퓨터를 실현하는 것입니다. 포획된 이온은 실용적인 양자컴퓨터 구현을 위해서 가장 가능성이 높은 시스템 중 하나입니다.
양자컴퓨터 (Quantum Computer)
양자컴퓨터는 양자 중첩(Quantum Superposition), 양자 얽힘 (Quantum Entanglement)를 이용하여 고전 컴퓨터와는 완전히 다른 패러다임의 연산을 할 수 있는 장치입니다. 특히 1994년 피터 쇼어 교수가 양자컴퓨터를 이용하여 소인수 분해를 효율적으로 해결할 수 있다는 것을 알아내면서 주목을 받아왔습니다. 큰 수의 소인수분해 문제는 현재 개인키와 공용키를 이용한 현대 암호체계의 근간입니다. 최근에는 양자컴퓨터를 슈퍼컴퓨터의 코프로세서로 사용하여 슈퍼컴퓨터의 성능을 향상시키는 연구를 통해 신약, 신물질 개발, 최적화 문제등 실제적인 문제에서 응용가능성을 찾고 있습니다. 그러나 현재 양자컴퓨터분야에 있어서 가장 큰 과제는 대규모의 큐빗을 다루면서 양자 중첩, 양자 얽힘을 에러없이 완벽하게 작동가능하도록 하는 장치를 만드는 것입니다. 다양한 분야에서 이러한 양자컴퓨터 하드웨어를 제작하기 위해서 노력하고 있는데 그중 가장 가능성이 큰 시스템 중 하나는 포획된 이온을 이용하는 것입니다.
포획된 이온 (Trapped Ions)
원자의 에너지 레벨 중 상대적으로 안정한 두개의 레벨을 이용하여 큐빗으로 사용할 수 있습니다. 그리고 이러한 원자가 전하를 띄게 만들어 이온이 되면 진동하는 전기장을 이용하여 안정하게 포획하여 공중에 위치를 고정하고 선형으로 배열할 수 있습니다. 이렇게 선형으로 안정하게 배열된 이온들은 다양한 진동모드를 갖게 되는데 이러한 진동모드를 레이저를 통해서 조작하므로 양자연산을 수행하게 됩니다. 포획된 이온을 이용한 양자컴퓨터는 이상적인 양자 컴퓨터를 실현하기 위한 중요한 지표에서 다른 여러 플랫폼에 비해서 가장 뛰어난 성능을 보여주고 있습니다. 중첩상태 유지시간이 1시간을 넘어서고, 얽힘 상태를 만드는 연산이 99.94%에 이르며, 양자부피라고 불리우는 의미있게 사용할 수 있는 큐빗의 수가 19개로 이 모든 면에서 가장 뛰어납니다. 그러나 이러한 포획된 이온을 이용하는 방식으로 수십, 수백개의 큐빗을 이용하도록 규모를 키우는 연구에 있어서는 상대적으로 느린 발전 속도를 보여주고 있습니다. 이것이 현재 포획된 이온을 이용한 양자컴퓨터 개발에 있어서 가장 큰 과제입니다.
양자컴퓨터 (Quantum Computer)
양자컴퓨터는 양자 중첩(Quantum Superposition), 양자 얽힘 (Quantum Entanglement)를 이용하여 고전 컴퓨터와는 완전히 다른 패러다임의 연산을 할 수 있는 장치입니다. 특히 1994년 피터 쇼어 교수가 양자컴퓨터를 이용하여 소인수 분해를 효율적으로 해결할 수 있다는 것을 알아내면서 주목을 받아왔습니다. 큰 수의 소인수분해 문제는 현재 개인키와 공용키를 이용한 현대 암호체계의 근간입니다. 최근에는 양자컴퓨터를 슈퍼컴퓨터의 코프로세서로 사용하여 슈퍼컴퓨터의 성능을 향상시키는 연구를 통해 신약, 신물질 개발, 최적화 문제등 실제적인 문제에서 응용가능성을 찾고 있습니다. 그러나 현재 양자컴퓨터분야에 있어서 가장 큰 과제는 대규모의 큐빗을 다루면서 양자 중첩, 양자 얽힘을 에러없이 완벽하게 작동가능하도록 하는 장치를 만드는 것입니다. 다양한 분야에서 이러한 양자컴퓨터 하드웨어를 제작하기 위해서 노력하고 있는데 그중 가장 가능성이 큰 시스템 중 하나는 포획된 이온을 이용하는 것입니다.
포획된 이온 (Trapped Ions)
원자의 에너지 레벨 중 상대적으로 안정한 두개의 레벨을 이용하여 큐빗으로 사용할 수 있습니다. 그리고 이러한 원자가 전하를 띄게 만들어 이온이 되면 진동하는 전기장을 이용하여 안정하게 포획하여 공중에 위치를 고정하고 선형으로 배열할 수 있습니다. 이렇게 선형으로 안정하게 배열된 이온들은 다양한 진동모드를 갖게 되는데 이러한 진동모드를 레이저를 통해서 조작하므로 양자연산을 수행하게 됩니다. 포획된 이온을 이용한 양자컴퓨터는 이상적인 양자 컴퓨터를 실현하기 위한 중요한 지표에서 다른 여러 플랫폼에 비해서 가장 뛰어난 성능을 보여주고 있습니다. 중첩상태 유지시간이 1시간을 넘어서고, 얽힘 상태를 만드는 연산이 99.94%에 이르며, 양자부피라고 불리우는 의미있게 사용할 수 있는 큐빗의 수가 19개로 이 모든 면에서 가장 뛰어납니다. 그러나 이러한 포획된 이온을 이용하는 방식으로 수십, 수백개의 큐빗을 이용하도록 규모를 키우는 연구에 있어서는 상대적으로 느린 발전 속도를 보여주고 있습니다. 이것이 현재 포획된 이온을 이용한 양자컴퓨터 개발에 있어서 가장 큰 과제입니다.
그림 3. 포획된 이온을 이용한 양자 컴퓨터 개념도 (E. Knill, Nature 463, 441 (2010).)
연구결과들
저희 연구실에서는 그동안 포획된 이온을 이용하여 다양한 방향의 연구를 진행해왔습니다. 이자리에서 간단히 다음과 같은 3가지를 소개합니다. 더 자세한 많은 내용은 저희 홈페이지에 소개되어 있습니다.
1. 세계에서 가장 긴 중첩상태 유지시간을 가지는 큐빗
저희는 171Yb+ 이온의 바닥상태에 있는 두 에너지 레벨을 큐빗으로 이용하여 중첩시간이 1시간 이상이 될 수 있음을 실험으로 보였습니다. 사실 저희가 원자를 개발하거나 발전 시킨 것은 아니고 이러한 결맞음시간이 존재한다는 것을 측정할 수 있도록 한 것입니다. 측정을 방해하는 요소였던 이온이 가열되는 문제와 노이지한 자기장, 마이크로웨이브 장치의 주파수 안정성등을 향상시켜서 1시간이상의 결맞음 시간을 관측하였습니다. 이론적으로는 수백만년까지 길어질 수 있고 가까운 미래에 하루 이상의 결맞음 시간을 확인할 수 있으리라 기대하고 있습니다.
그림 4. 세계에서 가장 긴 결맞음 시간을 가지는 이온 큐빗 (왼쪽) 실험장치 개념도 Nat. Photon. 11, 646 (2017), (오른쪽) 실험결과 Nat. Commun. 12, 233 (2021).
2. 높은 정밀도를 가지는 all to all 큐빗게이트
일반적으로 단일 큐빗게이트와 두개의 큐빗을 얽히게 만들수 있는 게이트를 이용하면 범용양자컴퓨터에서 할 수 있는 연산을 모두 수행할 수 있습니다. 그러나 이러한 방식이 효율적인 것은 아닙니다. 두개 이상의 큐빗도 동시에 연산할 수 있다면 양자연산을 훨씬 효율적으로 할 수 있을 것입니다. 특히 이온의 진동모드를 이용하면 바로 옆에 있는 큐빗뿐아니라 모든 큐빗들을 거리에 상관없이 연산할 수 있습니다. 저희는 이러한 포획된 이온의 특징을 이용하여 모든 큐빗들이 동시에 연산이 되도록 하는 게이트를 만들었습니다. 지금까지는 4개의 큐빗까지 연산했지만 더 많은 큐빗으로도 확대하려고 합니다.
그림 5. 높은 정밀도를 가지는 all to all 큐빗게이트 Nature 572, 363 (2019)
3. 다양한 양자시뮬레이션 실현
저희는 포획된 이온들을 이용하여 어떤 시뮬레이션을 할 수 있는지 다양한 가능성들을 연구하였습니다. 대표적으로 양자화학, 양자장론, 양자 열역학등에 적용할 수 있는 양자시뮬레이션을 수행하였습니다. 지금까지 저희 시스템에 있는 큐빗 수가 적지만 저희가 보여준 가능성들은 시스템이 커짐에 따라서 고전 컴퓨터의 성능을 뛰어넘어 사용될 수 있는 응용 분야가 될 수 있습니다.
그림 6. 포획된 이온을 이용한 다양한 양자시뮬레이션. (왼쪽) 양자화학 Phys. Rev. A 95, 020501(R) (2017), (가운데) 양자장론 Nat. Commun. 9, 195 (2018), (오른쪽) 양자열역학에 관련된 시뮬레이션 Nat. Phys. 11, 193 (2015).
현재 수행중인 연구들
현재 양자컴퓨터 분야에서 가장 중요한 문제 중 하나는 고전 컴퓨터의 연산한계를 넘어서는 성능을 보여주는 시스템을 실현하는 것입니다. 최근에 보존 샘플링, 랜덤 게이트 샘플링, 실용성이 없어 보이는 문제에서 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터의 성능을 넘어서 설수 있다는 것이 논증되었습니다. 구글등 여러 회사와 연구소에서 이러한 문제들을 양자컴퓨터로 수행하였다고 보고 했으나 여전히 논란 가운데 있습니다. 저희는 포획된 이온의 진동모드를 이용하여 보존샘플링 문제를 수행하고 2D crystal of ions를 이용하여 랜덤 게이트 샘플링 문제를 수행하려고 합니다.
1. 진동모드를 이용한 보존 샘플링 문제 수행
그림 7. (a) 보존 샘플링 문제 개념도, (b) 실험장치, (c) 진동모드를 이용한 보존 샘플링 실험 개념도
2. 2D crystal에서 스핀 모델을 수행하며 랜덤게이트 샘플링 문제 수행
그림 8. 2D 결정체를 위한 이온트랩시스템
동시에 양자컴퓨터와 고전컴퓨터를 결합하여 실용성이 있는 문제들에서도 고전 컴퓨터의 성능을 향상시키려는 연구가 주목을 받고 있습니다. 이경우 quantum error correction 없이 정확한 연산을 수행하는 것이 필요한데 저희는 최근에 제시된 다양한 quantum error mitigation 방법을 적용하며 성능향상에 대한 연구를 수행하고 있습니다.
칭화대학교 물리학과는 학부과정과 대학원 과정을 제공하고 있습니다. 대학원 과정은 전부 석박통합과정으로 대략 5-6년정도 소요됩니다. 통합과정 1학년에는 주로 수업 듣고 논문제출 자격시험을 치르게 됩니다. 2-3학년에는 한 세부 그룹에 속하여 연구에 참여하면서 독립적으로 작은 과제를 수행하고 4-5학년에서는 보다 발전된 과제를 수행합니다. 졸업전에 스스로 관심이 있는 문제를 발굴하고 실현하며 독립적인 연구자로서의 자질을 계발하도록 합니다. 또한 해마다 본인 연구를 해외 학회와 중국내 학회에 발표할 수 있는 기회를 제공합니다. 저희 연구실에서 졸업한 학생들은 인민대, 화중과기대, 남방과기대, 중국과기대 등 연구중심학교나 북경양자정보연구원, 허페이국가양자실험실등 연구소, 그리고 화웨이, 텐센트등 회사에서 양자컴퓨터 관련연구를 수행하고 있습니다.
칭화대학교는 북경수도국제공항(Beijing Capital International Airport)에서 서쪽으로 대략 33km 또는 북경대흥국제공항(Beijing Daxing International Airport)에서 북쪽으로 대략 61km 정도 거리에 있습니다. 학교와 공항은 택시, 지하철, 버스등 다양한 교통편을 이용해서 이동할 수 있습니다. 택시를 이용하면 수도 공항에서는 1시간 대흥 공항에서는 1시간반 정도가 걸립니다.
■ 주소 : Physics Building, Tsinghua University, Beijing, China■ 웹페이지 : http://info.phys.tsinghua.edu.cn/kimkihwan/
■ 이메일 : kimkihwan@mail.tsinghua.edu.cn
