IBM, 미터급 L-커플러 자기 차폐로 원거리 CZ 게이트 94.75% 달성…Starling 2029 모듈형 토대

L-커플러 회로 구조와 동작 조건

각 L-커플러는 약 80 cm 길이의 알루미늄-알루미늄 동축 케이블에 저밀도 PTFE 절연재를 사용해 5 GHz 대역에서 동작한다. 내부 품질 인수(Qi)는 평균 0.94×10⁶이며, 단일 테스트 케이블에서는 최대 2.0×10⁶까지 측정됐다. 두 프로세서 모듈은 하나의 희석 냉동기 안에 함께 수납되며, 전용 주파수 조정 가능 L-큐비트와 인덕티브 RF-SQUID(i2m) 커플러 회로가 포함된다. 오프 상태에서 결합을 1차 자속 오류에 둔감하게 설계해 유휴 위상 오류(idling dephasing)를 억제했다.

수직 인듐 접합과 자기 차폐 해법

기존 수평형 와이어 본딩은 칩 주변부를 소비해 밀집 2차원 배치를 방해한다. IBM은 수직 케이블-칩 접합 구조로 이를 극복했다. 두 모듈을 냉동기에 고정한 뒤 실온에서 스프링 부하 지그를 이용해 인듐-인듐 압력 본딩을 칩 표면에 직접 형성하며, 3회의 전체 열 사이클을 거쳐도 성능 저하가 없음을 확인했다.

연구팀은 기존에 보고되지 않았던 손실 메커니즘도 규명했다. 알루미늄 동축 케이블이 초전도 전이 온도(약 1.2 K) 이하로 냉각될 때 주변 자기장이 케이블에 자속을 고착시켜 Qi를 최대 6배까지 떨어뜨린다. 14 가우스 환경에서 Qi는 1.5×10⁶에서 2.5×10⁵까지 저하됐다. 이에 고자기투자율 다층 차폐 브레이드로 케이블을 감싸 운용 환경에서 Qi를 10⁶ 수준으로 유지하는 데 성공했다.

충실도 벤치마크와 오류 예산

4개 링크의 상태 전송 평균 충실도는 99.00%이며 최우수 링크는 99.29±0.07%를 기록했다. 원거리 CZ 게이트는 상태 전송 2회, 로컬 CZ 게이트 3회, 단일 큐비트 게이트 4개로 구성된다. 이 복합 구조 탓에 원거리 CZ 평균 충실도는 94.75%(최우수 링크 96.42±0.28%)에 머물러 칩 내부 트랜스몬 게이트(약 99.5%)보다 낮다.

오류 예산 분석에 따르면 2회의 상태 전송이 전체 오류의 약 53%, 3회의 로컬 CZ 게이트가 40%를 차지한다. 현재 L-큐비트는 개발 주기 단축을 위해 코히런스 최적화 공정을 생략해 제작됐으며, L-큐비트 위상 오류(dephasing)가 전송 오류의 56~76%를 유발하는 것으로 모델링됐다. IBM은 L-커플러 접합을 기본 격자 큐비트에 직접 통합하고 L-큐비트 수명을 100 μs로 연장하면 상태 전송 오류를 10⁻³ 이하로, 원거리 CZ 충실도를 99% 이상으로 높일 수 있다고 전망한다.

GHZ 다체 얽힘 시연과 Starling 2029 전략

칩 간 다체 얽힘 분포도 검증됐다. 두 프로세서에 걸친 4큐비트 GHZ 상태는 원시 충실도 77.2%, 오류 완화 후 91.7%를 달성했으며, 6큐비트 GHZ 링 상태는 원시 67.7%, 완화 후 90.9%를 기록했다. 인접 링크에서의 동시 Bell 쌍 생성도 확인됐다.

이번 실증은 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 코드 및 이변수 이분 자전거(bivariate bicycle) 코드 기반 내결함성 구조에서 모듈 간 링크 오류율이 내부 게이트보다 최대 한 자릿수 높아도 물리 큐비트 오버헤드를 한 자릿수 절감할 수 있다는 이론적 전망을 물리 구현 차원에서 뒷받침한다. 포스트 마운팅 조립, 반복 냉각 사이클 생존, 링크 간 간섭 없는 동시 운용이라는 세 조건을 충족한 이번 결과는 단일 모놀리식 프로세서에서 분산형 양자 슈퍼컴퓨터로의 전환에 필요한 핵심 연결 요건이 갖춰졌음을 보여준다.