IBM Research, Nighthawk R1 초전도 프로세서 4링크 연결·전송 충실도 99%

모듈형 양자컴퓨터: 연결이 곧 한계였다

초전도 방식 양자컴퓨터를 대규모로 확장하는 유력한 경로 중 하나는 복수의 프로세서를 물리적으로 이어 단일 대형 시스템처럼 동작시키는 모듈형 설계다. 그러나 지금까지 초전도 칩 간 양자 연결은 소형 실험 칩 사이에 단일 링크 한 개를 잇는 수준에 머물렀다. 냉각 장비에 이미 탑재된 대형 칩 사이에 복수의 링크를 동시에 설치하는 작업은 신호 손실, 열팽창·수축에 따른 기계적 스트레스, 협소한 공간 등의 문제로 성공 사례가 없었다.

두 Nighthawk R1 프로세서의 연결 구조

IBM Research 팀은 각각 120큐비트 사양의 Nighthawk R1 프로세서 두 개를 연결 대상으로 삼았다. 각 링크는 한쪽 칩의 큐비트가 전용 인터페이스 큐비트에 정보를 넘기고, 조절 가능한 커플러가 이를 길이 80cm의 초전도 알루미늄 케이블로 전달하는 구조다. 케이블 반대편에는 동일한 구성 요소가 대칭으로 배치되어 수신 칩에서 정보를 복원한다. 설치 밀도를 높이기 위해 케이블을 칩 옆면이 아닌 정면 상단에서 수직으로 꽂는 방식을 택했다. 무엇보다 두 칩이 냉각기에 장착된 이후에 4개 링크 전부를 사후 설치했다는 점이 기존 사례와 구별된다.

충실도 측정: 상태 전송과 2큐비트 연산

4개 링크에 걸친 양자 상태 전송 평균 충실도는 99%였으며, 최상위 링크에서 99.29%를 기록했다. 두 프로세서에 걸쳐 수행하는 2큐비트 논리 연산의 평균 충실도는 94.75%였다. 연구팀은 이 링크들을 이용해 두 칩에 걸쳐 공유되는 4큐비트 및 6큐비트 얽힘 상태를 생성했으며, 인접한 두 링크를 동시에 활용해 얽힘 쌍 두 개를 동시에 만드는 데도 성공했다.

반복 냉각 주기 내구성 검증

실제 운용 환경에서는 냉각 장비를 주기적으로 상온으로 올렸다 절대영도 근방으로 다시 낮추는 과정이 수반된다. 연구팀은 3회의 온도 순환 이후에도 4개 링크 모두가 정상 작동함을 확인했다. 이는 사후 설치된 다중 케이블 연결부가 열팽창·수축 스트레스를 반복적으로 견딜 수 있음을 보여 준 최초의 다중 링크 사례다.

남은 과제와 의미

연구팀은 상업적 적용을 위해서는 특히 양자 정보 보존 시간(코히런스 시간) 측면에서 추가 개선이 필요하다고 밝혔다. 그럼에도 대형 초전도 프로세서 간 고품질 다중 링크를 동시에 사후 설치 방식으로 구축한 것은 이번이 처음이다. 여러 프로세서에 양자 정보를 분산 저장·처리하는 구조가 완성되면, 향후 기기 확장과 유지·보수가 한층 수월해질 것으로 연구팀은 전망했다. 논문은 arXiv에 공개되었다(DOI: 10.48550/arxiv.2610.29986).