이온 트랩(ion trap)은 양자 컴퓨팅에서 가장 유망한 양자 비트(큐빗) 구현 기술 중 하나이다. 이온 트랩은 전자기장(electromagnetic fields)을 사용하여 개별 이온을 고정하고, 이온의 전자 상태 또는 운동 상태를 양자 정보로 사용한다. 트랩에 갇힌 이온은 양자 게이트 연산 및 양자 알고리즘 실행에 필요한 높은 제어성과 긴 결맞음(coherence) 시간을 제공하는 특징이 있다. 이온 트랩을 통해 개별 이온을 매우 정밀하게 제어할 수 있어, 양자 컴퓨터의 기본 연산인 양자 게이트 및 라비 진동 측정과 같은 과정을 효율적으로 수행할 수 있다.

이온 트랩 기술의 주요 이점을 정리하면 다음과 같다.

긴 결맞음 시간: 이온 트랩은 이온의 양자 상태를 비교적 오랜 시간 유지할 수 있어 신뢰성 있는 양자 연산을 수행할 수 있다. 이온 트랩 기술은 다른 종류의 큐빗보다 긴 결맞음 시간을 갖는 것으로 알려져 있다. 초전도체 큐빗과 비교하면, 결맞음 시간대 게이트 시간의 비율이 초전도체 큐빗이 약 ∼3000 인데 비하여, 이온 트랩 기술은 106 까지도 보고되었다[1].

고정밀 제어: 레이저 빔이나 마이크로파를 사용해 이온의 양자 상태를 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 특성은 강력한 양자 컴퓨팅 아키텍처 개발에 필수적이다. Ladd et al. 의 연구[2]등에서는 레이저로 구동되는 라비 진동이 양자 게이트를 수행하는 데 어떻게 정확하게 조정될 수 있는지를 강조한다. 또한, 정밀한 레이저 제어를 통해 성공적인 얽힘과 양자 게이트 연산이 매우 높은 충실도로 수행된 실험들이 다수 보고되었다. 이 실험은 이온 트랩 시스템에서 고정밀 제어의 실제 구현을 입증하였다.

양자 게이트 구현: 고전적인 논리 게이트와 유사하게, 양자 게이트를 이온 트랩에서 구현할 수 있다. 특히 CNOT와 같은 양자 게이트는 높은 정확도로 구현된다[3-6].

이온 트랩 기술을 양자 알고리즘에 접목한 연구는 양자 컴퓨팅과 양자 시뮬레이션 분야에서 활발히 이루어지고 있다. 이온 트랩은 뛰어난 양자 상태 제어 능력과 긴 양자 중첩 유지 시간 때문에 이상적인 양자 비트(큐빗) 플랫폼으로 평가받고 있으며, 쇼어 (Shor) 알고리즘, 그로버 (Grover) 알고리즘, 양자 시뮬레이션, 오류 수정 알고리즘 및 변분법 양자 (Variational Quantum Eigensolver, VQE) 에 활발하게 응용되고 있다. Figure 1은 현존하는 다양한 큐빗들의 특성을 비교하고 있다[7].

Figure 1. (Color online) Schematic summary of different types of quantum bits (top half) and their corresponding pros and cons. (bottom half). F1 (F2) is the one-qubit (two-qubit) gate fidelity (This is an open access article distributed under the terms of the creative commons CC BY license, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. No permission required[7]).

본 리뷰에서는 양자 컴퓨팅을 중심으로 하여 전 세계적으로 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 이온 트랩의 기초 원리와 연구 현황을 살펴보고 주요 도전과제와 시사점을 다루고자 한다.

1. 기본 트랩 방식

이온 트랩[8]의 주요 목적은 전기장 및/또는 자기장을 사용하여 진공 상태에서 개별 이온을 가두고 (트랩, trapping) 제어하는 것이다. 양자 컴퓨팅에서 가장 많이 사용되는 이온 트랩은 폴 트랩(Paul trap) (라디오 주파수(RF) 트랩이라고도 함)과 페닝 트랩(Penning trap)이다.

폴 트랩(RF 트랩): 이 트랩은 진동하는 전기장을 사용하여 이온을 가둔다. 노벨상 수상자인 볼프강 폴 (Wolfgang Paul)은 1950년대에 교류 전기장을 사용하여 대전된 입자를 가둘 수 있다는 것을 보여주었다[9]. 이 기술은 일반적으로 폴 트랩(Paul trap) 또는 라디오 주파수 트랩(RF 트랩)으로 불리며, 현대 물리학의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이 폴 트랩을 이용하여 정적 전기장과 진동하는 전기장을 결합하여 이온을 가두는 퍼텐셜 우물(potential well)을 형성하게 된다 (Fig. 2). 이러한 트랩은 이온을 정밀하게 제어할 수 있으며 여러 큐빗으로 확장할 수 있어 양자 컴퓨팅에 적합하다.

Figure 2. (Color online) Experimental setup. (a) Side and (b) top view of the trap and laser configuration. The figures are not to scale. The diameter of the dc and rf rods and the center-to-center distance between is 0.5 mm. The red gradient color in (a) indicates the effective two-dimensional harmonic potential in the Paul trap[25] [Permission obtained from publisher, © 2018 American Physical Society].

페닝 트랩: 페닝 트랩(Penning trap)은 이를 처음으로 구축한 한스 게오르그 뎀트(1922–2017)가 F. M. 페닝(1894–1953)의 이름을 따서 명명한 것이다. 이 트랩은 정적 전기장과 강한 자기장을 결합하여 이온을 가둔다[10]. 페닝 트랩은 양자 컴퓨팅에서 자주 사용되지는 않지만, 특정 실험에서는 안정적인 성능을 제공한다.

2. 이온이 큐빗으로 작동하는 방식

이온 트랩 시스템에서는 각각의 갇힌 이온이 큐빗을 나타낸다. 이온의 내부 전자 상태(hyperfine stat)의 두 에너지 준위가 큐빗의 두 상태, 0와 1로 사용된다.

• 기저 상태와 들뜬 상태: 큐빗으로서 이온의 기저 상태(0)와 들뜬 상태(1)가 양자 정보를 인코딩하는 데 사용된다. 이러한 상태는 보통 마이크로파 또는 광학 주파수로 구분된다.

• 상태 조작: 레이저 빔 또는 마이크로파 펄스를 사용하여 이온의 양자 상태를 조작한다. 정확하게 조정된 레이저를 적용하면 이온은 기저 상태와 들뜬 상태 사이를 진동하게 되며, 이를 라비 진동(Rabi oscillation)이라고 한다. 이 과정은 트랩된 이온이 큐빗으로서 정상적으로 동작하는지 확인하며, 이를 바탕으로 양자 게이트를 구현하는 데 필수적이다. 양자 게이트는 양자 컴퓨팅의 기본 빌딩 블록이다.

3. 이온 트랩에서의 양자 게이트

양자 연산을 수행하려면 양자 게이트를 큐빗에 적용해야 한다. 이온 트랩 시스템에서 양자 게이트는 이온의 공명 모드 또는 포논(phonon)을 통해 이온 간 상호작용을 조절함으로써 구현된다.

• 단일 큐빗 게이트: 단일 큐빗 게이트는 비교적 간단하며, 레이저를 사용해 이온의 내부 상태 간 전이를 유도한다. 레이저 펄스를 정밀하게 제어함으로써 X, Y, Z 또는 아다마르(Hadamard) 게이트와 같은 원하는 단일 큐빗 연산을 수행할 수 있다.

• 이중 큐빗 게이트(얽힘 생성): 양자 컴퓨팅의 진정한 힘은 얽힘(entanglement)에서 나오며, 쿨롱 상호작용(대전된 입자 간 상호작용)을 통해 구현된다. 공유된 공명 모드를 사용하여 큐빗 간 얽힘을 유도할 수 있다. 이온 트랩에서 일반적인 이중 큐빗 게이트는 몰머-소렌센(Mølmer-Sørensen) 게이트로, 두 이온 간 얽힌 상태를 만든다.

4. 이온 냉각: 도플러 및 사이드밴드 냉각

이온의 열 운동을 줄이는 것은 이온을 정밀하게 제어하기 위해 매우 중요하다. 레이저 냉각 기술은 이온을 극저온으로 냉각하여 운동의 기저 상태에 가깝게 만든다.

• 도플러 냉각: 이 방법은 레이저 빛을 이온의 공명 주파수보다 약간 낮게 조정하여 사용한다. 이온이 광자를 흡수하고 다시 방출할 때 이온의 운동이 느려져 온도가 감소한다.

• 사이드밴드 냉각: 도플러 냉각 후 추가적으로 사이드밴드 냉각을 사용하여 이온을 더욱 냉각할 수 있다. 진동 에너지 준위 간 전이를 유도하여 가능한 가장 낮은 운동 상태로 이온을 냉각하게 된다.

5. 큐빗 상태의 측정

양자 연산이 끝난 후 각 큐빗의 상태를 측정해야 하는데, 보통 형광 검출(fluorescence detection)을 통해 이루어진다. 레이저를 적용하면 이온이 기저 상태에 있을 경우 광자를 산란시키고, 들뜬 상태에 있을 경우 산란시키지 않는다. 이온이 광자를 산란시키는지 여부를 감지하여 큐빗의 상태(0 또는 1)를 결정할 수 있다.

6. 확장 가능성과 이온 체인

양자 컴퓨팅에서 확장성은 많은 큐빗을 제어하면서도 정확성을 유지하는 방법을 의미한다. 이온 트랩 시스템에서는 이온을 트랩 내에서 선형 체인으로 배열할 수 있다. 이온 간 상호작용을 정밀하게 제어하고 공유된 공명 모드를 사용하여 큐빗의 수를 확장할 수 있다. 그러나 이온의 수가 많아질수록 냉각, 제어, 판독의 기술적 어려움이 커진다.

최근 이온 트랩 기술은 양자 컴퓨팅을 포함하여 다양한 응용 사례가 보고되고 있다.

본 리뷰에서 양자 컴퓨팅을 중심으로 최근의 연구 동향에 대해 알아본다.

1. 이온 트랩 시스템에서의 양자 상태 준비 연구 동향

이온 트랩 시스템에서의 양자 상태 준비(quantum state preparation)는 양자 컴퓨팅의 성능과 신뢰성을 결정짓는 중요한 단계이다. 최근 연구들은 특히 고충실도(high-fidelity)의 양자 상태 준비, 에러 억제 기술, 그리고 스케일러블한 큐빗 시스템 구현을 위한 다양한 방법을 다루고 있다. 주요 연구 동향을 살펴보면 다음과 같다.

1) 초냉각과 Doppler 냉각을 통한 상태 준비

이온 트랩 시스템에서 양자 상태를 정확하게 준비하기 위해서는 이온을 초저온 상태로 냉각하는 것이 필수적이다. 도플러 냉각과 시지푸스(Sisyphus) 냉각 같은 기술이 광범위하게 사용되고 있다. 초기 관련 논문으로는 Itano et al.의 1982년 보고가 있으며[11], 이 연구에서 2 준위 이온에서의 페닝 트랩이 이온들의 운동 진동수가 광학 전이 (optical transition) 의 선폭보다 아주 작은 한계 내에서 이론적으로 다뤄졌다. 비교적 최근의 트랩된 이온들의 최신 기술에 대한 리뷰 논문에서 새로운 이온 냉각 기술들이 소개되고 있다[11]. 최근에는 그 효율성을 더욱 높이기 위한 연구들이 활발히 진행 중이다. 비교적 최신의 초냉각 기술로서, 도플러 냉각 한계 이하의 온도를 달성하기 위한 기술로서 시지푸스 또는 편광 그래디언트 냉각법[12]이 연구되고 있다. 이 이름은 그리스 신화의 인물 시지푸스(Sisyphus)에서 유래하여, 이온이 반복적으로 에너지를 잃고 계속 냉각되는 원리를 가리킨다. 시지푸스 냉각법에서는 특별히 선택된 레이저 빛을 이온들에 다양한 각도에서 조사하여 운동에너지를 잃을 때까지 전위우물에서 냉각과 트랩을 동시에 수행하게 된다. Figure 3 과 Fig. 4 는 시지푸스 냉각법의 원리를 보여준다. 원자는 위치에너지를 거슬러 올라가 더 높은 에너지 밴드로 여기되었다가, 다시 낮은 에너지 상태로 떨어진다. 왼쪽에서 시작된 이 과정 후, 한 번 반 주기의 “빨간색" 또는 “파란색" 레이저가 작용 하고, 다시 여기와 비여기 과정을 거치며, 이제 오른쪽에서 “빨간색"에서 “파란색"으로의 상태 변화가 일어나는 방식으로 반복된다[13, 14] (Fig. 3).

Figure 3. (Color online) Physical principle of Sisyphus cooling: The atoms are running against the potential energy, become excited into a higher band, fall back into a low-energy state (i.e. from the rather high “blue" state upwards, then immediately backwards to the lower “red" state), always on the left-hand side, from which, after one and a half of the “red" or “blue" period, say, of the laser action, they get excited and de-excited again, now from “red" to “blue", on the r.h.s., etc.[13] [Source: Wikipedia- Sisyphus cooling].

Figure 4. Atomic Sisyphus effect in the lin ⊥ lin configuration[14] [Open access. © 1989 Optical Society of America].

또다른 극저온 이온 냉각 방법은 분해된 사이드밴드 (Resolved-Sideband) 냉각법으로, 강하게 구속된 원자와 이온을 도플러 냉각 한계 이하로 냉각하여, 이온이나 원자가 운동의 바닥 상태에 도달할 수 있게 하는 레이저 냉각 기술이다[15]. 이 냉각법은 1975년 Wineland 와 Dehmelt 의 논문[16]에서 유래하였다고 알려져 있으며, 강하게 트랩된 원자들을 양자 기저 상태로 트랩하는 레이저 냉각 방법이다. 이 방법을 사용하기 위해서는 원자들이 도플러 냉각 방법으로 먼저 냉각이 되어 있어야 한다. 분해된 사이드밴드 냉각법의 최근의 실험적 구현으로는, Roos 에 의한 Ca⁺ 이온의 냉각이 보고되었으며[17], Fig. 5 에서 도플러 냉각과 사이드밴드 냉각법의 차이를 볼 수 있다.

Figure 5. (a) Doppler cooling. (b) Sideband cooling of Ca⁺ ions[17] [Ph.D. thesis, University of Innsbruck, 2000].

2) 다중 이온 큐빗 시스템에서의 스케일링 기술

단일 이온 큐빗 시스템에서 다중 이온 큐빗 시스템으로의 확장은 양자 컴퓨팅의 상용화와 직접적으로 연결된다. 다중 이온 큐빗 시스템을 효과적으로 스케일링하기 위해, 양자 상태 준비 과정에서 발생하는 이온 간 상호작용을 최소화하는 방법이 연구되고 있다. 최근에는 이온 트랩 배열을 이용해 다중 큐빗 시스템에서 높은 정확도의 상태 준비를 가능하게 하는 방법들이 제안되었다. 최근 Monroe et al. 가 모듈형 양자 컴퓨터 아키텍처를 제안하며, 다중 이온 큐빗 시스템의 확장성을 위한 혁신적인 구조를 설명하였다[18]. 이 논문에서는 원자 메모리와 광학적 상호연결을 통해 큐빗 수를 확장할 수 있는 방안을 다루며, 모듈 간의 통신을 통해 더 큰 규모의 양자 연산을 가능하게 하는 구조를 제시한다. 2016년의 연구[19]는 트랩된 ⁴³Ca⁺ 이온의 하이퍼파인 큐빗을 이용한 고충실도 양자 논리 게이트를 구현하는 방법을 설명하였다.

3) 강화 학습을 통한 양자 상태 최적화

최근 연구 중 하나는 강화 학습 알고리즘을 이용하여 이온 트랩 시스템에서 양자 상태 준비 과정을 최적화하는 방법이다[20]. 이 방법은 복잡한 양자 제어 문제를 해결하는 데 유망한 접근법으로 평가받고 있으며, 레이저 펄스의 시간적, 공간적 배치를 최적화하여 보다 높은 수준의 상태 준비를 달성할 수 있다. 강화학습에 의한 양자상태 최적화는 특히 다중 큐빗 시스템에서 상태 간섭을 줄이고 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 하고 있다. Fösel et al. 에 의한 최근 연구는[20] 네트워크 기반의 “에이전트"(agent, 논문 원문에 의한 표현)가 양자 오류 수정 전략을 발견하여, 여러 큐빗을 노이즈로부터 보호하는 방법을 보여준다. 다체 양자 시스템은 입자 간 얽힘 상태와 상관된 상호작용으로 인해 계산 복잡성이 증가하여 시스템의 거동을 예측하고 제어하기가 어렵게 된다. 2018년의 다른 연구[21] 는, 강화 학습(Reinforced Learning) 기법을 구현하고, 이 기법의 성능이 비가역적인 다체 양자 시스템(상호작용하는 큐빗들)에서 초기 상태에서 목표 상태로의 짧고 높은 충실도의 구동 프로토콜을 찾는 작업에서 최적 제어 방법과 비슷하다는 것을 보여주었다.

4) 초전도 회로와의 하이브리드 접근

최근 이온 트랩 시스템과 초전도 큐빗 시스템을 결합하는 하이브리드 양자 컴퓨팅 접근이 연구되고 있다[22-24]. 이 하이브리드 시스템에서는 이온 트랩이 양자 상태 준비와 연산의 일부를 담당하고, 초전도 시스템이 병렬 연산과 빠른 측정 능력을 제공하는 방식으로 상호보완적 기술로 활용된다. 이를 통해 복잡한 양자 연산을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

2. 라비 진동 (Rabi oscillation) 측정

라비 진동(Rabi oscillation)은 양자 시스템에서, 외부 전자기장을 가했을 때 두 에너지 상태(예: 양자 비트의 상태)가 주기적으로 변환하는 중요한 현상이다. 양자 컴퓨팅에서 라비 진동은 큐빗의 상태 제어 및 양자 게이트 구현의 핵심이 되며, 고성능 양자 연산을 위해서는 라비 진동의 정밀한 측정이 필수적이다. 최신 연구는 라비 진동의 정확한 측정을 위한 기술 개발과 함께, 양자 시스템의 결맞음 향상, 노이즈 감소, 그리고 대규모 큐빗 시스템 적용에 초점을 맞추고 있다.

1) 고정밀 라비 진동 측정 기술

최근 연구는 고정밀 레이저 또는 마이크로파를 이용한 라비 진동 측정 기술 개발에 중점을 두고 있다[25, 26]. 특히, 초정밀 타이밍 제어와 광학적 검출 기술을 통해 라비 진동 주기를 매우 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 이러한 기술은 큐빗의 상태를 정밀하게 제어하여 보다 높은 신뢰도의 양자 게이트를 구현하는 데 도움을 준다. 일례로 김기환 교수 그룹은 임의의 포논 NOON 상태를 생성하는 방법을 개발하였으며[25], 2016년에 단일 이온에서 9개의 포논 NOON 상태를 실험적으로 구현하였다. Figure 6은 연구진이 측정한 N=1에서 N=9 까지의 NOON 상태의 parity 진동을 보여주고 있다.

Figure 6. (Color online) Parity oscillations of the generated NOON states from N=1 to N=9[25] [Permission obtained from publisher, © 2018 American Physical Society].

2) 결맞음 시간 연장

라비 진동은 결맞음 시간 동안만 지속적으로 관찰되며, 더 긴 결맞음 시간이 중요한 연구 목표이다. 양자 컴퓨팅의 도전 과제들중 하나는 잡음으로 인해 생기는 위상의 랜덤화 (randomization) 가 유발하는 결맞음(coherence) 의 손실 문제이다. 이온트랩 큐빗의 경우 결맞음의 손실 즉, 결깨짐 (decoherence)는 주로 자기장의 요동과 레이저 대역폭의 한계로 인해 발생된다[27]. 결깨짐 현상은 블로흐 구에서의 상태 벡터의 시간적인 퍼짐(spread)으로 이해할 수 있다(Fig. 7).

Figure 7. (Color online) A qubit on the Bloch sphere, first (a) initialized to (0 + 1)/2 at time t=0 and then left alone. Due to noise it accumulates a random phase φ, so (b) at time t the qubit state is (0 + eiφ1)/2. This is shown as a spread of the Bloch vector[27] [Master’s Thesis in Physics, Stockholm University, 2020].

최근에는 결깨짐을 줄이기 위해 환경 노이즈를 최소화하는 방법들이 연구되고 있다. 초저온 환경에서 이온을 트랩하거나, 특수한 레이저 펄스 시퀀스를 사용해 결깨짐을 억제하는 방법이 널리 사용된다.

트랩된 이온 큐빗 1개의 결맞음 시간은 1분 이내로 보고되고 있으며, 트랩된 이온의 앙상블은 더 긴 시간이 보고된다[28].

이온 트랩에서 결맞음 시간을 연장하는 가장 중요한 방법 중 하나는 환경 노이즈 억제이다[29-33]. 전기장 및 자기장 잡음[32], 레이저 잡음[33] 등은 이온의 양자 상태에 간섭을 일으켜 결맞음 시간을 짧게 만든다. 최근 연구들은 노이즈를 억제하기 위해 고주파 드라이브 필드 사용, 저온 환경 조성, 그리고 더 나은 실험 장비를 개발하고 있다.

동적 결깨짐 억제(dynamical decoupling)[34-36] 기법은 빠른 펄스 시퀀스를 사용하여 이온의 양자 상태를 주기적으로 리셋하고 노이즈를 상쇄하는 방식이다. 최근의 연구들에 의하면 일련의 Hahn spin-echo 펄스를 큐빗 시스템에 쪼여줌으로써 기존의 디커플링 방법보다 더 효과적으로 위상 에러 발생을 억제할 수 있음이 보여졌다[35]. 이 기법은 이온 트랩에서 매우 효과적인 결맞음 시간 연장 방법으로, 외부 환경과의 상호작용을 줄여 큐빗이 더 오랜 시간 동안 양자 상태를 유지할 수 있도록 돕는다.

3) 다체 양자 시스템에서의 라비 진동

단일 큐빗에서 라비 진동을 측정하는 것은 널리 연구된 주제이지만, 최근에는 다체 (qubit array) 시스템에서 라비 진동을 측정하고 제어하는 연구가 늘고 있다[37-41]. 다체 시스템에서의 상호작용과 얽힘 상태(entanglement)를 고려한 라비 진동 측정은 양자 컴퓨터를 확장하는 데 중요한 역할을 한다. 최근의 한 연구[37]는 가둔 이온이 다체 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 논의하며, 이러한 시스템에서 라비 진동이 관찰된다고 설명하였다.

4) 양자 오류 수정과 라비 진동

라비 진동 측정은 큐빗 제어 과정에서 발생하는 오류를 줄이는 데 매우 중요하다. 최근 연구는 양자 오류 수정(quantum error correction) 알고리즘을 사용해 라비 진동 측정 중 발생할 수 있는 오류를 보정하는 방법을 탐구하고 있다[42-45]. 이를 통해 보다 높은 정확도의 큐빗 제어가 가능해진다. 이온을 가두고 레이저로 조작하는 시스템에서, 라비 진동은 큐빗의 내부 상태를 제어하는 데 사용된다. 여러 큐빗에 대해 정밀한 연산을 수행함으로써, 연구자들은 양자 오류 수정을 위한 양자 피드백 알고리즘을 구현했다. 이 경우 라비 진동은 큐빗 상태를 전환하고 큐빗들을 얽히게 만들어 오류로부터 보호할 수 있는 필요한 중복성을 생성하는 데 중요하다. Schindler et al. (2011) 의 연구는 가둔 이온 큐빗과 라비 진동을 사용하여 다중 (multiple) 양자 오류 수정 프로토콜을 시연했다[43]. 최근 연구에서는 연속적인 양자 오류 수정을 탐구했으며, 이 과정에서 라비 진동이 실시간으로 오류를 탐지하고 수정하는 피드백 시스템의 일부로 활용되었다. Brown et al.[42] 의 연구에서는 이온 트랩 시스템에서 라비 진동을 사용하여 큐빗 상태의 변화를 감지하고 교정 작업을 수행함으로써, 결맞음 시간을 연장하고 양자 계산의 정확도를 개선하는 방법을 시연했다.

5) 라비 진동의 초고속 측정

최근에는 초고속 라비 진동 측정을 통해 큐빗 상태를 매우 빠르게 제어하고 측정하는 연구가 활발하다[46-49]. 이 방법은 고속 연산을 요구하는 양자 알고리즘에 적용 가능하며, 시스템의 처리 능력을 크게 향상시킬 수 있다. 최근의 한 연구는 가둔 초저온 원자를 사용한 초고속 동역학의 양자 시뮬레이션 실험 접근 방식을 보여주었다[46]. 2018년에 보고된 한 연구[47] 에서는 진폭이 조정된 (amplitude-shaped) 레이저 펄스(시간에 따라 세기가 조정된 레이저 펄스) 를 사용하여 이온의 움직임을 유도하는데, 이때 진폭 조정된 레이저 펄스로 게이트의 위상값이 광학적 위상값에 의존하지 않도록 설계되었다. 이 방법을 통해 광학 위상의 변동에 강한 빠른(메가헤르츠 속도) 양자 논리가 가능하게 되었으며, 이 연구는 480 나노초로 짧은 게이트 시간에서도 얽힘 생성을 입증하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 라비 진동은 양자 컴퓨터에서 큐빗 상태를 제어하는 데 필수적인 현상이며, 최근 연구들은 더 높은 정밀도와 긴 결맞음 시간, 다체 시스템으로의 확장, 그리고 양자 오류 수정 기법을 결합하여 라비 진동 측정을 개선하는 방향으로 발전하고 있다. 이러한 연구들은 향후 양자 컴퓨터의 성능을 극대화하고 상용화 단계로 가는 데 중요한 기여를 하고 있다.

이제까지 양자 컴퓨팅을 위한 이온 트랩 연구개발의 현황과 최신연구성과들을 살펴보았다. 양자 컴퓨팅 연구에 있어서 이온 트랩 기술은 최근 눈부신 연구성과들을 창출해 내었으며, 빠른 속도로 발전해 가고 있다. 이온 트랩은 다음과 같은 주요 연구 과제들을 안고 있다.

• 스케일업 문제: 현재 이온 트랩은 몇 개의 이온을 제어하는 데는 매우 효율적이지만, 수백 개 이상의 이온을 제어하는 대규모 양자 컴퓨터로 확장하는 데 어려움이 있다[50, 51]. Monroe et al.에 의하면, 양자 컴퓨팅에서는 외부 환경의 교환에서 격리되어 정확하게 양자 논리 게이트 연산을 일으킬 수 있는 큐빗이 필요하다[50]. 동시에, 궁극적으로 큐빗을 측정하여 어떠한 중첩 상태도 붕괴시키는 기술이 필요한데, 이러한 상반된 엄격한 요구 조건이 대규모 양자 컴퓨터의 확장을 어렵게 하고 있다.

• 이온 간 상호작용: 이온 간의 상호작용을 정밀하게 제어하는 것이 중요한 과제이다[50, 52]. 최근의 보고들에서 다중 큐빗 간의 상호작용[50]과 트랩된 개별 이온에의 접근이 필요 없는 방법[52]이 보고되었다.

• 오류 수정: 다른 양자 컴퓨팅 플랫폼과 마찬가지로 이온 트랩 큐빗에서도 양자 오류를 실시간으로 수정할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 이온 트랩 기반 양자 컴퓨터에서 오류를 실시간으로 수정하기 위한 주요 접근법으로는 표준 오류 정정 코드와 실시간 오류 정정을 위한 피드백 제어 방법이 보고되었다 . 2004년 Chiaverini et al.은 3개의 베릴륨 이온 큐빗으로 오류 정정 코드를 시연한 바 있다[53]. 2017년도의 연구는 양자 오류 정정을 위해 필요한 기준들을 제시하였으며 잘 알려진 오류정정 임계값을 고려할 만큼 충분히 큰 크기의 양자 프로세서를 개발하기 위해 이 기준들이 반드시 달성되어야 한다고 보고하였다[54].

이상에서 고찰한 바와 같이 양자 컴퓨터 연구 개발이 하루가 다르게 발전되고 있는 상황에서, 이온 트랩기술은 양자 컴퓨터의 성능을 극대화하고 상용화 단계로 가는데 기여할 것으로 보인다.

This work was supported by project # 202311800001. This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF-2021R1A2C1008272).