기고: 실용적인 양자 컴퓨팅 구현을 위한 실리콘 포토닉스의 역할

CORNERSTONE의 부소장인 Callum Littlejohns 교수와 케임브리지 대학교 광학 공학 부교수인 Amit Agrawal 박사의 기고문

확장 능력은 오늘날 양자 하드웨어에서 가장 시급한 문제 중 하나이며, 확장성 과제를 해결하는 것은 상당한 정부 투자의 원동력이 되었습니다. 여기에는 세계 최초의 확장된 양자 컴퓨터를 배치하기 위한 10년 계획인 영국 정부의 £2.5 billion 규모의 양자 전략(Quantum Strategy)이 포함됩니다.

하지만 확장된 양자 시스템을 달성하는 방법을 이해하려면 양자 분야를 넘어 이미 검증된 다른 기술들을 살펴봐야 합니다.

여러 면에서 양자 확장성 과제는 이전의 다른 산업들이 직면했던 과제들과 유사합니다. 더 큰 시스템은 더 많은 하드웨어를 필요로 하며, 이는 더 높은 복잡성을 의미합니다. 그러나 양자 시스템은 시스템 안정성이 코히어런스(coherence)를 유지하기 위해 미세한 방해로부터 섬세한 양자 상태를 보호하는 데 달려 있어 과제의 복잡성이 증가한다는 점에서 차이가 있습니다. 하드웨어는 끊임없이 진화하고 있으며, 더 많은 구성 요소를 추가할수록 이러한 격리를 유지하기가 더 어려워집니다. 추가적인 열, 지연 시간, 정렬 복잡성 및 패키징 문제와 같은 다른 문제에 빠르게 직면하게 된다는 점은 말할 것도 없습니다.

2026년에 실리콘 포토닉스는 확장 가능한 양자 시스템 구축을 위한 선도적인 후보로 떠오르고 있습니다. 이는 큐비트를 생성, 조작, 라우팅 및 판독하고 광학적, 스핀, 트랩된 이온 또는 중성 원자 등 별도의 물리적 양태로 구현된 큐비트에 빛을 전달하고 잠재적으로 빛을 수집할 수 있는 통합 칩 스케일 회로를 제공합니다. 두 경우 모두, CMOS 산업에서의 수십 년간의 증거는 우리가 거대한 규모와 극도의 정밀도로 통합 실리콘 회로를 제조할 수 있음을 보여주며, 이는 확장성에 매우 중요합니다.

모멘텀을 유지하기 위해, 이 분야의 전반적인 발전과 양자 확장을 지원하는 능력은 고급 제조 공정, 신속한 프로토타이핑 및 조정된 연구 플랫폼에 대한 접근성을 포함한 인프라에 달려 있습니다. 이러한 접근성은 국가마다 다르며 국가 양자 전략의 성공에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

양자 광학 레이어로서의 실리콘 포토닉스

실리콘 포토닉스는 트랩된 이온, 중성 원자 및 광자 큐비트에 의존하는 양자 컴퓨팅 플랫폼을 지원할 수 있는 큐비트 양태 독립적(modality-agnostic) 솔루션입니다. 각 플랫폼은 매우 정밀한 광학 제어에 의존하기 때문입니다. 트랩된 이온 시스템은 전자기장을 사용하여 개별 이온을 가두고, 중성 원자 플랫폼은 광집게(optical tweezers)로 원자를 고정하고 조작하며, 광학적 접근 방식은 광자 자체의 양자 상태에 정보를 직접 인코딩합니다. 반도체 양자점부터 실리콘 및 다이아몬드의 컬러 센터에 이르기까지 스핀 기반 플랫폼 역시 큐비트를 초기화, 판독 및 상호 연결하기 위해 정밀한 광학 인터페이스에 의존합니다. 모든 경우에 큐비트를 안정적으로 조작하려면 정확한 공간 정렬, 파장 선택 및 안정성을 갖춘 여러 레이저 빔이 전달되어야 합니다. 예를 들어, 대규모 중성 원자 어레이의 빠른 사이트 선택적 어드레싱은 마이크로초 단위로 전환 및 변조될 수 있는 빔을 요구하며, 이는 자유 공간 빔 스티어링(free-space beam steering)으로는 유지하기 어렵고 통합 광학 스위칭이 자연스럽게 역할을 수행할 수 있는 부분입니다. 이러한 큐비트에서 방출되는 빛의 효율적인 온칩 수집 또한 활발히 탐구되고 있으며, 이 기능은 고충실도 판독과 프로세서 간의 광학 링크를 모두 뒷받침할 것입니다. 큐비트 수가 증가함에 따라 이는 더욱 중요해집니다.