[논문]양자점 큐비트 기반 양자컴퓨팅의 국외 연구 동향 분석

백충헌; 최병수

doi:10.22648/etri.2020.j.350207

양자점 큐비트 기반 양자컴퓨팅의 국외 연구 동향 분석
Research Trend for Quantum Dot Quantum Computing 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.35 no.2, 2020년, pp.79 - 88

백충헌 (양자컴퓨팅연구실) , 최병수 (양자컴퓨팅연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Quantum computing is regarded as one of the revolutionary computing technologies, and has attracted considerable attention in various fields, such as finance, chemistry, and medicine. One of the promising candidates to realize fault tolerant quantum computing is quantum dot qubits, due to their expectation of high scalability. In this study, we briefly introduce the international tendencies for quantum dot quantum computing. First, the current status of quantum dot gate operations is summarized. In most systems, over 99% of single qubit gate operation is realized, and controlled-not and controlled-phase gates as 2-qubit entangling gates are demonstrated in quantum dots. Second, several approaches to expand the number of qubits are introduced, such as 1D and 2D arrays and long-range interaction. Finally, the current quantum dot systems are evaluated for conducting quantum computing in terms of their number of qubits and gate accuracies. Quantum dot quantum computing is expected to implement scalable quantum computing. In the noisy intermediate-scale quantum era, quantum computing will expand its applications, enabling upcoming questions such as a fault-tolerant quantum computing architecture and error correction scheme to be addressed.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1 양자점을 구성하기 위한 단일 층 형성 및 3차원 고정 구조 모식도
그림 그림 2 단일전자 사이의 상호작용을 조절하여 얽힘 게이트를 구현하는 방법 모식도
표 표 1 단일 게이트 성능 지표
표 표 2 NOT 게이트의 진리표
표 표 3 C-Phase게이트의 진리표
그림 그림 3 하이브리드 큐비트 표면의 전자 현미경 사진. 빨간색이 단일전자 큐비트(왼쪽), 파란색이 전자쌍 큐비트(오른쪽)
그림 그림 4 양자점 큐비트의 선형 배열에 대한 전자 현미경 사진 및 전자 이동 모식도
그림 그림 5 2차원 배열을 통한 양자점 큐비트 수 확장 방법 모식도
그림 그림 6 공진기를 기반으로 한 장거리 양자정보 전송 소자의 광학 현미경 사진
그림 그림 7 양자점 기반의 큐비트 개발 현황

AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 양자점 큐비트 기반 양자컴퓨팅의 최근 연구 동향과 발전 가능성에 대하여 살펴보았다. 최근 양자점 큐비트를 활용한 양자컴퓨팅 기술은 빠르게 발전 중이다.
이중 주요하게 평가 요소인 큐비트 수와 게이트 정확도 측면에서 양자점 큐비트의 성능을 평가해 보고자 한다.
최종적으로는 양자 정보에 발생한 오류를 정정함으로써 결함이 허용되는 양자컴퓨팅(FTQC: Fault-Tolerant Quantum Computing)으로 도약하고자 한다[25]. 이를 위하여, 양자 오류 정정 부호를 활용하여 이상적인 큐비트로 작용하는 논리적 큐비트를 생성해야 한다.

가설 설정

이 게이트의 진리표는 표 3과 같다. C-Phase 게이트는 큐비트 간 연산에 방향성이 없다. 연산정확도가 높지 않고 연산량이 한정된 경우, 상대적으로 적은 연산수를 이용하여 양자컴퓨팅의 범용 연산 게이트를 만들 수 있다.

제안 방법

큐비트 수를 확장하기 위한 방법 측면에서는 작은 영역에서 확장하는 1D, 2D 배열방법과 큰 영역에서 장거리 정보 전달로 확장하는 방법을 고려하였다. 마지막으로 큐비트 수와 양자게이트 정확도를 종합적으로 분석하여 정리하였다.
본고에서 양자점 기반의 큐비트 연구개발 동향은 양자 게이트 구현, 큐비트 수 확장 방법, 종합적 분석으로 나누어서 조사하였다. 양자 게이트 구현 측면에서는 단일 큐비트 게이트 및 얽힘 큐비트 게이트 개발동향에 대하여 정리하였다.
본고에서는 큐비트 수를 확장하기 위한 방법을 크게 두 가지로 분류하였다. 첫째로 매우 제한된 영역 내에서 확장하는 방법이다.
알고리즘 구동을 위한 큐비트의 확장성을 고려하여, 1큐비트 게이트 정확도보다는 2큐비트 게이트 정확도를 고려하였다. 또한, 2큐비트 게이트의 구현 및 정확도 향상이 기술적으로 더 상위 수준에 있음을 반영하였다.
최근 양자점 큐비트를 활용한 양자컴퓨팅 기술은 빠르게 발전 중이다. 양자점 큐비트는 실리콘을 기반으로 제작되어 산업적인 활용 가능성을 크게 높였고, CNOT과 C-Phase 등 다양한 얽힘 게이트 연산을 구현하였다. 특히, 양자점 큐비트는 단기적 및 장기적 관점에서 다수의 큐비트로의 확장할 수 있는 로드맵을 제시하였다.
양자 상태는 비트와 위상두 가지 축에 대한 정보가 있기 때문에 단순히 측정 결과로 나오는 0과 1의 개수만으로 양자 연산에 대한 신뢰도를 판단하기는 어렵다. 이를 해결하기 위하여 비트축, 위상축 등 여러 정보 방향에서 양자 상태의 입출력을 평가하여 양자 연산의 신뢰도를 정의한다.
즉, 5개의 큐비트가 있다고 하더라도 1개씩 큐비트를 만들어 얽힘 연산이 불가능한 경우는 1개의 큐비트로 평가하였다. 또한 1-2, 3-4, 4-5번 큐비트의 얽힘 연산은 가능하나, 2-3번 큐비트의 얽힘 연산은 불가능한 경우에는 3개로 평가하였다.
양자 게이트 구현 측면에서는 단일 큐비트 게이트 및 얽힘 큐비트 게이트 개발동향에 대하여 정리하였다. 큐비트 수를 확장하기 위한 방법 측면에서는 작은 영역에서 확장하는 1D, 2D 배열방법과 큰 영역에서 장거리 정보 전달로 확장하는 방법을 고려하였다. 마지막으로 큐비트 수와 양자게이트 정확도를 종합적으로 분석하여 정리하였다.
양자점 큐비트는 실리콘을 기반으로 제작되어 산업적인 활용 가능성을 크게 높였고, CNOT과 C-Phase 등 다양한 얽힘 게이트 연산을 구현하였다. 특히, 양자점 큐비트는 단기적 및 장기적 관점에서 다수의 큐비트로의 확장할 수 있는 로드맵을 제시하였다.

후속연구

현재까지는 큐비트가 있는 1차원 배열에서 다른 1차원 배 열끼리의 상호작용을 보여주는 데 성공하였다. 다만, 이를 이용하여 1차원 배열 간 연산뿐만 아니라, 2차원 배열의 큐비트 간 연산으로 확장하게 된다면 이용 가능한 큐비트의 수를 더 빠르게 늘릴 수 있을 것으로 기대한다.
반도체 기술은 우리나라의 먹거리 기술인만큼, 향후 양자컴퓨팅 시대에서도 먹거리 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다양한 분야에 적용 가능한 양자컴퓨팅기술의 전반에 걸친 기초 연구 및 원천 기술에 대한 연구가 미래 우리나라의 신산업 동력을 구성할 것을 기대한다.
반도체 양자점 기반의 큐비트 제작 기술은 아직 주요 큐비트 플랫폼에 비하여는 부족한 편이나, 궁극적으로 이러한 문제점을 가장 빠르게 해결 가능할 것으로 기대된다. 반도체 기술은 우리나라의 먹거리 기술인만큼, 향후 양자컴퓨팅 시대에서도 먹거리 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다양한 분야에 적용 가능한 양자컴퓨팅기술의 전반에 걸친 기초 연구 및 원천 기술에 대한 연구가 미래 우리나라의 신산업 동력을 구성할 것을 기대한다.
양자컴퓨팅은 양자 현상에 기반한 변혁적 컴퓨팅으로, 기존에 해결 불가능하였던 문제들을 풀 수 있을 것으로 기대된다. 특히 금융, 화학, 의료, IT 등 다방면에서 양자컴퓨팅의 혁신적 계산능력이 활용되기를 기다리고 있다[1].
다음으로 양자점의 크기는 대략 100×100nm²으로, 소자의 크기에 비교하여 매우 작아 다수의 양자점을 집적하기에 용이하다. 특히 앞서 분석한 확장 방식이 구체적으로 구현될 경우, 큐비트 수에 대한 확장이 월등히 뛰어날 것으로 기대된다. 게다가 양자점 큐비트는 큐비트 간 물리적 거리가 100나노미터로 매우 가깝기 때문에 연산을 곧바로 수행할 수 있으며, 상호작용이 용이하므로 연산속도를 매우 빠르게 만들 수 있다.
9% 이상의 정확도를 보인다. 향후에는 개별 게이트 수준의 평가가 아닌 임의의 양자회로의 수행능력을 평가할 수 있는 수준으로 확대되어 종합평가가 이루어져야 할 것이다.

참고문헌 (25)

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J. Preskill, "Fault-tolerant quantum computation," arXiv:quantph/9712048, Dec. 1997.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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