독일 율리히 연구진, 6.8나노초 초전도 큐비트 게이트서 99.98% 충실도 달성

초고속 게이트 구현의 기술적 장벽

초전도 양자컴퓨터에서 단일 큐비트 연산은 통상 수십 나노초가 소요된다. 이번 연구팀이 달성한 6.8나노초는 빛이 진공에서 약 2미터를 이동하는 데 걸리는 시간에 불과하다. 양자 게이트 속도는 큐비트의 결맞음(coherence) 유지 시간과 직결된다. 큐비트는 양자 상태를 제한된 시간 동안만 보존할 수 있으므로, 연산이 빠를수록 동일한 결맞음 창 안에 더 많은 게이트를 수행할 수 있다. 이는 복잡한 알고리즘 실행과 계산 자원이 집약적인 양자 오류 정정 절차 모두에서 이점이 된다.

다만 속도를 높이려면 마이크로파 펄스의 세기를 키워야 하는데, 이 과정에서 초전도 큐비트가 연산에 사용하는 두 에너지 준위 너머로 의도치 않게 도약하는 이른바 다광자 전이(multiphoton transition) 문제가 불거진다. 이 현상은 한 연산에서 두 개 이상의 에너지 준위를 동시에 건너뛰며, 이전까지 충분히 주목받지 못했던 오류 경로다. 다광자 전이로 생긴 오류는 복수 연산 단계에 걸쳐 누적되어 양자 오류 정정을 어렵게 만들 수 있다.

R2D 펄스 성형 기법의 원리

연구는 Forschungszentrum Jülich 산하 기능적 양자 시스템 연구소(PGI-13)의 실험 그룹과 양자 제어 연구소(PGI-8)의 이론 그룹이 긴밀히 협력해 진행됐다. 이들이 개발한 R2D 기법은 지난 10여 년간 표준으로 자리 잡은 DRAG 기법을 발전시킨 것이다. 주파수 필터와 유사한 원리로, 원하는 전이(두 계산 준위 간 연산)를 유지하면서 불필요한 고에너지 전이를 일으키는 특정 주파수 성분만 선택적으로 억제한다. 이를 통해 다광자 전이 발생 확률이 DRAG 대비 20배 이상 줄었다.

실험 결과 및 성능 수치

실험은 Helmholtz Nano Facility에서 제작된 단일 트랜스몬 큐비트를 대상으로 수행됐으며, QSOLID 대형 공동 연구 프로젝트의 일환이다. 6.8나노초 길이의 마이크로파 펄스로 두 가지 기본 양자 연산을 각각 실행한 결과, 정확도는 99.981%와 99.989%로 측정됐다. 큐비트가 더 높은 에너지 상태로 의도치 않게 전이할 확률은 연산당 0.002% 미만으로 유지됐다.

한계 및 향후 연구 방향

현재까지 R2D 기법은 단일 고립 트랜스몬 큐비트 환경에서만 검증됐다. 다수 큐비트로 구성된 실제 대형 프로세서나 두 큐비트 게이트 연산에서도 같은 성능이 유지되는지는 별도 실험이 필요하다. 복수 큐비트 시스템에서는 큐비트 간 결합과 크로스토크 등 추가적인 오류 요인이 개입하기 때문이다. 연구팀은 이번 결과가 양자 게이트 벤치마크를 새로 설정하는 동시에, 시스템 개선에 필요한 물리적 이해를 한층 심화시켰다는 점에서 의미를 찾고 있다.