오사카대 연구진, 세 번째 양자점 추가로 스핀 큐비트 게이트 충실도 99.72% 달성

스핀 큐비트의 근본적 딜레마

반도체 스핀 큐비트는 전자의 스핀 상태를 정보 단위로 활용하는 방식으로, 기존 반도체 공정과의 호환성 덕분에 확장 가능성이 높다는 평가를 받는다. 그러나 두 개의 양자점 사이에서 전자를 이동시켜 스핀을 전기적으로 제어하는 플로핑 모드(flopping-mode) 방식은 동작 속도를 높일수록 전압 변동에 대한 민감도 역시 증가하는 상충 관계를 내포한다. 소자 제작 이후 이 두 특성을 동시에 최적화하기가 어렵다는 점이 대규모 집적의 걸림돌이었다.

세 번째 양자점이 만드는 새로운 자유도

오사카대 연구진이 제안한 해법은 단순하다. 기존 두 양자점 구조에 에너지를 전기적으로 조절할 수 있는 보조 양자점을 하나 더 추가한 것이다. 이 세 번째 양자점은 전자의 궤도 에너지 구조 자체를 재편하는 역할을 하며, 연구팀은 이를 '궤도 밴드 엔지니어링(orbital band engineering)'이라 명명했다. 보조 양자점의 에너지 준위를 조정함으로써 소자 제작 이후에도 동작 영역을 전압 잡음에 덜 민감한 구간으로 이동시킬 수 있었다. 동시에 고속 스핀 제어에 필요한 강한 결합은 유지됐다. 이 구조에서 연구진은 100 MHz 이상의 동작 주파수를 구현했고, 특정 조율 조건에서는 271 ± 20 MHz에 도달했다.

머신러닝 피드백으로 탈위상 시간 11배 연장

소자 설계 개선에 더해 연구팀은 큐비트 주파수의 느린 드리프트를 실시간으로 보정하는 머신러닝 기반 피드백 시스템을 병용했다. 그 결과 추정 탈위상 시간(dephasing time)이 약 52나노초에서 580나노초로 11배가량 늘어났다. 무작위 벤치마킹을 통해 측정된 4나노초 게이트 충실도는 피드백 적용 시 99.56%, 여기에 펄스 최적화를 추가하면 99.72%에 달했다. GaAs 기반 양자점에서 전기적 제어의 속도와 전압 잡음 문제가 동시에 중요한 이유가 이 구조에서 명확히 드러났다.

확장성과 소재 다양성 측면의 함의

이번 연구의 의미는 단일 소자의 성능 개선에만 그치지 않는다. 반도체 양자컴퓨터를 대규모로 집적할 때 소자 간 편차가 불가피하게 발생하는데, 이 접근법은 제조 후에도 보조 양자점 조율만으로 개별 소자를 보정할 수 있는 설계 원리를 제시한다. 연구진은 이 개념이 현재 활발히 연구 중인 실리콘 및 저마늄 기반 스핀 큐비트에도 적용 가능하다고 밝혀 범용성 가능성을 열어뒀다. 다만 실제 대규모 집적 환경에서 세 번째 양자점이 추가됨으로써 발생하는 제조 복잡도 증가와 소자 밀도 제약은 향후 검증이 필요한 과제로 남는다.