전통적인 (또는 "고전적인") 컴퓨팅과는 달리 양자컴퓨팅은 이제 수년 동안 사용되어 왔다. 이 컴퓨터 과학 분야는 계산을 수행하기 위해 중첩 및 얽힘과 같은 물리적 현상을 이용한다. 이진 1과 0을 기반으로하는 클래식 컴퓨터의 "비트"와 달리 양자컴퓨터 "큐비트"는 여러 값을 동시에 사용할 수 있다. 이러한 방식으로 큐비트를 결합하면 잠재적으로 혁신적인 응용 프로그램과 함께 기하급수적으로 더 많은 수로 작업하는 것이 빠르게 가능해진다. 완전히 실현되면 양자컴퓨터는 암호화, 의학, 금융, 인공지능 및 물류와 같은 다양한 분야의 문제를 해결할 수 있다.

그러나 큐비트는 생성하기가 어렵고 양자 효과를 유지하기 위해 극도의 안정성이 필요하다. 캘리포니아 버클리대학의 연구원들은 1998년에 계산을 수행할 수 있는 최초의 작동하는 2비트 양자컴퓨터를 시연했다. 뮌헨의 기술 대학은 2000년에 5큐비트를 달성했으며 뉴 멕시코의 로스 알라모스 국립연구소는 같은 해에 7큐비트를 달성했다.

그 이후로 큐비트 수가 10배 증가하면서 더 많은 진전이 있었다. 중국 연구자들은 2020년 12월 76큐비트 시스템으로 "양자 우월성"을 주장했으며, 이는 고전적인 슈퍼 컴퓨터 속도의 100조배로 계산된다. IBM은 2023년에 1,000개 이상의 큐비트 머신을 계획하고 있으며 2030년대에 백만 큐비트 시스템의 가능성을 암시했다.

미래의 시스템에서 엄청난 개선을 이루기 위해 전 세계 과학자들은 새로운 재료 및 아키텍처와 같은 큐비트를 연결하고 제어하는 ​​더 나은 방법을 연구하고 있다. 그러한 발전 중 하나는 Microsoft와 시드니 대학교 간의 파트너십에서 발생하고 있다.

데이비드 라일리 교수와 그의 동료들은 100밀리 켈빈 (mK)에서 작동하는 장치를 발명했다. 이것은 양자 기술의 빌딩 블록인 수천 큐비트를 직접 제어하기 위해 확장될 가능성이 있다.

"양자컴퓨팅의 잠재력을 실현하기 위해 기계는 수백만 큐비트가 아니라 수천 큐비트를 작동해야 한다."고 Microsoft와 시드니대학과 공동 직책을 맡고 있는 Reilly는 말했다. "세계에서 가장 큰 양자컴퓨터는 현재 50개 정도의 큐비트로 작동한다. 이 작은 규모는 부분적으로 큐 비트를 제어하는 ​​물리적 아키텍처의 한계 때문이다. 우리의 새로운 칩은 이러한 한계를 끝낸다."

대부분의 양자시스템은 특수 계산을 수행하는 데 필요한 물질 또는 빛의 특성인 '양자'를 잃지 않도록 절대 영도(-273.15 °C)에 가깝게 작동하는 큐비트가 필요하다. 양자 장치가 유용한 작업을 수행하려면 지침이 필요하다. 이는 큐비트와 전자 신호를 주고받는 것을 의미한다. 현재 양자 아키텍처에서는 많은 전선이 필요하다.

"현재 기계는 신호를 제어하기 위해 아름다운 전선 배열을 생성한다. 거꾸로 도금한 새 둥지나 샹들리에처럼 보인다. 예쁘지만 근본적으로 비현실적이다. 이는 유용한 계산을 수행하기 위해 기계를 확장할 수 없음을 의미한다. 실제 입력-출력 병목 현상이 있다.”고 호주 연구위원회(ARC) 공학 양자시스템 센터(EQUS)의 수석 연구원인 Reilly는 말했다.

Microsoft 선임 하드웨어 엔지니어이자 칩 공동 발명자인 쿠샬 다스 박사는 "우리 장치는 이러한 모든 케이블을 제거한다."고 말했다. "정보를 입력으로 전달하는 단 두 개의 와이어로 수천 큐비트에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다. 이것은 양자컴퓨팅의 모든 것을 변화시킨다."

Reilly는 "Microsoft와의 파트너십을 통해 입출력 병목 현상을 극복하기 위한 이론적 아키텍처를 제안 했을뿐 아니라 이를 구축했다."고 말했다. "우리는 맞춤형 실리콘 칩을 설계하고 이를 양자시스템에 결합하여 이를 입증했다. 이것이 극저온에서 작동하도록 만들어진 가장 진보된 집적 회로라고 확신한다."

"저온에서 작동한다는 것은 전력 예산이 엄청나게 낮다는 것을 의미한다. 시스템에 더 많은 전력을 투입하려고 하면 전체가 과열된다."고 시드니대학에서 박사 과정을 밟은 세바스찬 파우카 박사는 양자 장치를 칩과 인터페이스하는 작업의 대부분을 포괄했다.

이 문제를 해결하기 위해 그들은 큐비트에 매우 근접하여 작동하지만 작동을 방해하지 않는 시스템을 설계했다. 새로운 접근 방식을 더 자세히 설명하는 논문은 Nature Electronics 저널에 게재되었다.

Reilly는 "현재 큐비트 용 제어 시스템은 동작에서 몇 미터 떨어진 곳에서 제거된다. 대부분 실온에 존재한다."고 말했다. "우리 시스템에서 우리는 극저온 플랫폼에서 벗어날 필요가 없다. 칩은 큐비트와 함께 바로 거기에 있다. 이것은 더 낮은 전력과 더 빠른 속도를 의미한다. 이것은 양자 기술을 위한 진정한 제어 시스템이다."

"이러한 장치를 제어하는 ​​방법을 연구하려면 수년 간의 엔지니어링 개발이 필요하다." "이 장치의 경우, 우리는 시드니대학교가 호주에서 양자 기술에 대한 단일 최대 투자인 Microsoft와 파트너십을 시작하면서 4년 전 시작되었다.

"우리는 극저온에서 트랜지스터의 동작을 캡처하기 위해 많은 모델과 설계 라이브러리를 구축했다. 그런 다음 장치를 구축하고, 검증하고, 특성화하고, 마지막으로 큐비트에 연결하여 실제로 작동하는지 확인해야했다.

"우리는 이제 막 양자 혁신의 새로운 물결을 시작하고 있다. 파트너십의 가장 좋은 점은 단순히 논문을 발표하고 계속 나아가는 것이 아니라 산업 규모에서 양자 기술을 실현하기위한 청사진을 계속 진행할 수 있다는 것이다."

이 연구에는 참여하지 않았지만 호주에서 양자 연구를 감독하는 ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems의 책임자인 Andrew White 교수는 "이것은 향후 몇 년 안에 변화가 될 것"이라고 말했다. "양자컴퓨터를 개발하는 모든 사람이 이 칩을 사용하지 않는다면, 그 칩에서 영감을 받은 것을 사용하게 될 것이다."고 덫 붙였다.