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▲ 일레큐트론(eleQtron)의 탁월한 MAGIC 양자 프로세서는 마이크로파를 이용해 냉각 및 전력소모를 크게 줄일 수 있다.

독일 지겐대학교에서 분사한 스핀오프 기업인 일레큐트론(eleQtron)은 최근 자사의 특허받은 MAGIC(MAgnetic Gradient Induced Coupling) 양자 프로세서를 기반으로 구현한 양자 컴퓨터를 고객사에 인도하고, 상용화하는 데 성공했다. MAGIC은 다른 양자 프로세서 설계와 달리, 레이저 대신 마이크로파 방사(Microwave Radiation)를 이용해 큐비트를 제어하고 조작한다는 점에서 차별화된다.

초기에는 높은 진공 상태에서 레이저 어블레이션(Laser Ablation)을 이용해 이터븀(Ytterbium, 171Yb+) 이온의 스트링을 생성한다. 이 과정을 통해 단일 레지스터 내에 최대 30개의 이온 스트링을 형성할 수 있으며, 각 이온이 큐비트로 기능한다. 양자 알고리즘을 구현하는 핵심은 자기장과 교류 전기장을 이용해 폴 트랩(Paul Trap, 사극자 이온 트랩)을 생성하는 것이다. 많은 설계의 경우, 이 단계에서 레이저를 사용해 큐비트를 제어 및 조작하여 양자 게이트 실행을 준비한다. 그러나 이러한 레이저는 각 이온을 개별적으로 정밀하게 타겟팅해야 하는데다, 동시에 많은 전력이 소모된다.

이에 비해 마이크로파는 기술적으로 훨씬 더 간단할 뿐만 아니라, 전력 소모도 약 5분의 1 수준에 불과하다. 스펙트럼의 DDS 카드 출력과 고주파 오실레이터 소스는 SSB(Single Sideband) 믹서를 이용해 결합되어 약 12.64GHz의 신호를 생성한다. 또한, 자기장에 의해 발생하는 제만 효과(Zeeman Effect)를 통해 신호를 3MHz ~ 5MHz 단위로 변조함으로써 각 이온을 개별적으로 ‘지정(Addressed)’할 수 있으며, 이를 통해 낮은 크로스토크를 제공하고, 칩 기반 이온 트랩에 완벽하게 통합할 수 있다. DDS 카드는 큐비트를 개별적으로 제어하고 조작하는 데 필요한 멀티톤(Multi-Tone) 신호를 생성한다.

▲ 다수의 MAGIC 프로세서가 사용된 일레큐트론의 양자 컴퓨터

일레큐트론 과학자들은 기존에 사용하던 임의 파형 발생기(AWG: Arbitrary Waveform Generator) 하드웨어의 한계를 극복하기 위해 스펙트럼 인스트루먼트에 도움을 요청했다. 개별 큐비트를 정확히 제어하기 위해서는 생성된 신호의 진폭, 위상 오프셋, 펄스 길이 및 주파수를 조정해야 한다. 이를 통해 양자 연산 속도를 결정하는 원하는 수준의 라비 주파수(Rabi Frequency)를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 요구사항은 임의 파형 발생기의 부담을 상당히 가중시킨다.

▲ 양자 과학자들 사이에서 가장 널리 사용되는 스펙트럼 인스트루먼트의 M4i.6631 AWG는 사실상 어떤 파형이든 생성할 수 있다. 이 카드는 DDS 모드에서 채널당 최대 20개의 독립적인 사인파 캐리어를 생성하여 빠르고 간편하게 실험 과정을 제어할 수 있다.

스펙트럼 인스트루먼트는 전 세계 양자 연구 커뮤니티에서 널리 사용되는 16bit AWG인 M4i.66xx 계측기 시리즈를 일레큐트론 팀에 제안했다. 이 PCIe 카드들은 최대 1.25GS/s의 출력 속도를 지원하는 1개, 2개, 또는 4개의 동기식 채널을 제공하며, 분할 가능한 대용량 온보드 메모리를 갖추고 있어 다양한 파형을 재생할 수 있다. 또한, 스펙트럼의 최적화된 드라이버를 통해 최대 2.8GB/s의 데이터 전송 속도를 달성할 수 있으며, 필요 시 최대 8개의 카드를 동기화할 수 있다. 추가로 DDS 펌웨어를 적용하면, 채널당 최대 20개의 사인파 코어를 출력할 수 있다. 각 DDS 코어는 간단한 명령만으로 주파수와 진폭, 위상, 주파수 기울기 및 진폭 기울기 등을 프로그래밍할 수 있으며, 6.4ns의 분해능으로 사인파 코어를 매우 빠르게 변경할 수 있다. 이를 통해 더 많은 큐비트를 개별적으로 지정할 수 있으며, 복잡한 양자 회로 구현에 필요한 양자 프로세서 설계의 유연성을 확보할 수 있다. DDS 솔루션은 일레큐트론 팀의 개념 검증 과정에서 핵심적인 역할을 수행했다. 또한, 일레큐트론 팀은 고품질 문서는 물론, 설계 엔지니어를 통한 신속한 대응에 이르기까지 스펙트럼이 제공한 탁월한 지원에 대해서도 높이 평가했다.