Forschungszentrum Jülich, R2D 펄스 기법으로 6.8나노초·99.98% 충실도 초전도 단일 큐비트 게이트 구현

연구 배경: 빠른 게이트와 누설 문제의 딜레마

초전도 트랜스몬 큐비트는 약한 비조화성(anharmonicity)을 특징으로 한다. 이 연구에서 사용된 소자의 비조화성은 Δ/2π = −225 MHz 수준이다. 게이트 속도를 높이려면 마이크로파 구동 세기를 높여야 하지만, 구동 세기가 강해질수록 양자 계산에 사용되지 않는 상태(|2⟩, |3⟩)로의 직접 두 광자 전이가 유발된다. 이 현상은 기존의 Derivative Removal by Adiabatic Gate(DRAG) 보정 기법이 가정하는 선택 규칙을 위반하여 오류를 증폭시킨다.

R2D 기법: 이중 재귀 DRAG

연구팀이 도입한 R2D(Double Recursive DRAG) 기법은 이중 재귀 미분을 통해 두 광자 전이 주파수 성분을 스펙트럼 상에서 제거하는 방식이다. 세 개의 인시튜(in-situ) 최적화 파라미터(α12, α02, α13)를 활용해 |0⟩→|2⟩ 및 |1⟩→|3⟩ 전이를 동시에 억제한다. 구동 강도 비율 Ω/|Δ| = 0.33의 강력 구동 영역에서도 게이트당 누설률을 2.0 × 10⁻⁵ 미만으로 유지하는 데 성공했다. 이는 기존 표준 DRAG 대비 20배 이상 누설을 줄인 수치다.

또한 연구팀은 열 여기(thermal excitation)로부터 결맞음 누설을 분리 계량하기 위해 ALE(Amplified Leakage Error) 시퀀스를 설계했다. 이 계측 프로토콜은 비계산 상태로의 전이를 10⁻⁶ 수준까지 감지할 수 있다.

벤치마크 결과

상호삽입 무작위 벤치마킹(interleaved randomized benchmarking)으로 측정한 X 게이트 충실도는 99.981%, X/2 게이트는 99.989%에 달했다. 소자의 에너지 완화 시간(T1)은 40 μs, 에코 위상 결맞음 시간(T2Echo)은 56 μs로, 총 게이트 오류는 소자 자체의 디코히어런스가 지배적인 한계 수준에 머물렀다. 이번 연구는 독일 국가 양자 프로젝트인 QSOLID의 일환으로 수행되었으며, 결과는 학술지 Nature Communications에 게재됐다.

남은 과제: 다중 큐비트 확장

이번 성과는 단일 트랜스몬 큐비트 소자에 국한된 시연이다. 강력 구동 조건(Ω/|Δ| = 0.33)은 밀집 배치된 평면 칩에서 인접 큐비트의 위상 오류(dephasing), 마이크로파 누화(cross-talk), 주파수 혼잡 문제를 야기할 수 있다. R2D 기법을 다중 큐비트 격자로 확장하려면 다중 주파수 스펙트럼 노치 필터를 자동화 교정 파이프라인에 통합해야 하며, 나노초 규모 2큐비트 얽힘 게이트에서도 유사한 재귀 펄스 보정이 유효한지 추가 검증이 필요하다.