NMR 기반

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개요

그림 1. NMR 양자컴퓨터 장치 모식도.

NMR 기반 양자컴퓨터는 분자 내에 존재하는 핵스핀의 상태를 큐비트로 이용하고, 핵스핀 간의 상호작용을 활용하는 방식이다. 분자들간의 핵스핀들은 주위 분자들과의 다양한 상호작용에 의해서 구분가능한 큐비트들로 정의될 수 있고, 외부자기장이나, 두 개의 핵스핀들간의 상호작용을 이용하여, 단일 큐비트 게이트 및 이중 큐비트 게이트들을 구현할 수 있다. 특히, NMR 관련 기술은 여러 스핀들에 대한 측정의 효율성 증대등을 바탕으로 하여 이미 다양한 분야에 활용되고 있어 제반 기술이 이미 확보되어 있고 기본적으로 분자 내의 핵스핀 간의 상호작용을 이용하여 손쉬운 커플링이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 시스템 구조상 측정에 많은 수의 큐비트들이 필요하며, 이 경우 각 핵스핀들의 결맞음 시간이 급격히 짧아져 확장성이 좋지 않다는 시스템상의 단점이 존재한다. 따라서, NMR 기반 양자컴퓨터는 양자 컴퓨터의 구현 초기에 폭넓게 활용되었으나, 이러한 단점으로 인해 현재는 양자 컴퓨터 관련 연구에 거의 사용되지 않고 있으며 고전적인 시뮬레이션에만 간헐적으로 이용된다. 2001년 IBM에서 7 큐비트 NMR 양자컴퓨터를 활용하여 최초로 Shor의 알고리듬을 실험적으로 구현했다는 역사적 의미를 가지고 있다.

개발 현황

그림 2. $$M\text{Cl}_{2}{(R_{3}PE)}_{2}$$ 타입의 MRE를 가진 금속 복합체(M = Cd or Hg, R = $$n - Bu$$ or $$\text{Me}_{2}N$$, E= Se or Te)

NMR 기반 양자컴퓨터는 큐비트로 분자의 스핀 상태를 이용한다. NMR 기반 컴퓨터는 액체상태 기반의 NMR 과 고체상태 기반의 NMR로 나뉜다. 액체기반의 경우, 계의 스핀 앙상블을 이용하며, 해당 스핀 앙상블은 열역학적 평형을 이용해 초기화된다. 외부 자기장과 분자들사의 상호작용을 이용하여, 양자게이트를 수행할 수 있다. 큐비트로 주로 쓰이는 원자의 종류에는 H, C, F, Si, P가 있다. 2020년에 이들 외에도 Cd, Hg, Te 및 Se와 같은 원자들을 결합시켜 NMR-QIP에 더욱 유리한 큐비트를 만들 수 있다는 연구 결과가 보고되었다. 고체기반의 경우, 액체상태의 분자들이 움직이거나, 주위 포논등에 의해서 발생할 수 있는 양자 결어긋남(decoherence)를 줄일 수 있고, 개개의 큐비트들을 측정할 수 있다는 장점이 있다.