스펙트럼 AWG, 광학 집게 어레이에서 큐비트인 원자 배치에 사용

        
디지타이저 및 제너레이터 전문 기업 스펙트럼 인스트루먼트(Spectrum Instrumentation) DDS)는 지난 6월 12일, 자사의 직접 디지털 합성(DDS) 펌웨어 옵션이 독일 카이저슬라우테른 공과대학(RPTU Kaiser slautern) 양자 컴퓨터 연구 프로젝트에 채택되었다고 밝혔다.

카이저슬라우테른 공과대학은 양자 컴퓨터(QC)를 구축하는 라이맥스 원(Rymax One)을 통해 큐비트 역할을 하고, 단일 원자 배열을 생성하는 방법을 사용한다. 이 방법은 각 원자를 정확한 위치에 이동 및 고정해야 한다. 다만, 원자를 레이저 빔 중앙에 위치시키고 고정하기 위해서는 레이저의 미세한 움직임을 광학 핀셋처럼 하나하나 작동시켜야 하기 때문에 많은 프로그래밍과 방대한 양의 데이터 처리 능력을 필요로 한다.

카이저슬라우테른 공과대학은 이러한 문제를 해결하기 위해 스펙트럼 인스트루먼트의 새로운 DDS 펌웨어 옵션을 도입했다. 펌웨어 옵션은 대용량 데이터 배열을 계산하는 대신, 시작 및 중지 매개변수를 정의하는 간단한 명령으로 레이저 위치를 제어할 수 있다. 카이저슬라우테른 공과대학은 기존의 복잡하고 오랜 시간이 소요되는 과정을 간소화하여 양자 컴퓨터 개발 속도를 크게 증가시켰다.

카이저슬라우테른 공과대학의 조나스 위첸라트(Jonas Witzenrath) 연구원은 “새로운 DDS 옵션은 연구 진행에 큰 변화를 가져왔다. 이를 통해 빠른 진행이 가능하고, 시스템의 복잡성을 줄일 수 있어 연구 발전에만 집중할 수 있었다. 다음 단계로 DDS 펌웨어의 동적 기능을 사용하여 정적 2차원 배열에서의 원자의 재배열을 수행하고자 한다”며, “더 나아가 큐비트 간 상호 작용을 정밀하게 제어하기 위한 최적의 UV 레이저 펄스를 형성하는 데 AWG를 사용할 것”이라고 덧붙였다.

또한 조나스 연구원은 “DDS는 우리 프로젝트에서 중요한 부분이 되었으며, 높은 유연성과 다양한 기능으로 실험실의 다른 작업에도 실제로 사용할 수 있다. 덕분에 매번 목적에 맞는 별도의 장비를 구입할 필요가 없다. 우리는 DDS 기능 개발을 위해 스펙트럼과 긴밀히 협력했으며, 연구에서의 사용 가능성을 확대하고 다른 연구실에도 도움이 될 수 있도록 노력하고 있다”고 강조했다.

조나스 연구원은 스펙트럼 AWG를 채택한 이유로 뛰어난 아날로그 성능과 대용량 메모리, 빠른 전송 속도로 양자 연구에 적합한 솔루션 제공 등을 꼽았다. 빠른 전송 속도는 파형 재배치가 계산되어 카드에 업로드될 때까지 실험을 멈춰야 하기 때문에 중요하다. 이는 스펙트럼 카드가 다른 제품과 차별화되는 점이기도 하며, AMO/QC 커뮤니티에서 널리 사용되는 주된 이유다. 고속 AWG는 수십 mSec 정도의 지연 시간 또는 큰 떨림 지터라는 본질적인 문제가 있어 시스템 수정 및 복구 시 부정확성이 발생하고 처리 시간이 길어진다. 그러나 DDS 펌웨어를 사용하면 스펙트럼 AWG는 20µ Sec 내에 명령을 생성할 수 있으며, 명령에 지연이 거의 없다.

스펙트럼의 AWG 카드 M4i.6631-x8은 한 실험에서 사용되어 원자를 가두는(핀셋을 생성하는) AOD (Acousto-Optic Deflector, 음향 광학 디플렉터)를 구동하는 데 쓰였다. 현재 설정에서는 1MHz의 변화로 100μs 이내에 원자가 있는 핀셋이 약 8μm 이동하며, S자형 주파수 램프로 발열을 최소화한다. 이 시간 동안 신호의 진폭은 빛의 세기 변화를 보상하기 위해 선형적으로 변한다.