Jülich 연구진, 초전도 큐비트 양자 게이트 6.8나노초·충실도 99.98% 동시 달성

왜 게이트 속도가 임계 변수인가

양자컴퓨터에서 게이트 연산 속도는 단순한 성능 지표가 아니라 시스템의 실질적 유용성을 결정하는 구조적 변수다. 큐비트는 결어긋남(decoherence)으로 인해 양자 상태를 제한된 시간 동안만 유지한다. 개별 게이트가 빨라질수록 동일한 결어긋남 시간 안에 더 많은 논리 연산을 적재할 수 있고, 이는 복잡한 알고리즘 실행과 오류 정정 회로 구현 모두에 직접 연결된다.

다광자 전이: 기존 기법의 간과된 사각지대

초전도 큐비트는 연산에 사용하는 두 에너지 준위 외에도 더 높은 준위를 가진다. 펄스를 짧게 만들수록 필요한 마이크로파 강도가 높아지고, 그 결과 큐비트가 의도치 않게 더 높은 에너지 상태로 전이될 위험이 커진다. 이번 연구팀은 여기서 한 발 더 나아가, 강한 단펄스가 두세 준위를 한 번에 건너뛰는 다광자 전이(multiphoton transition)를 일으킬 수 있음을 확인했다. 이 현상은 그동안 충분히 주목받지 못했으나, 여러 연산 단계에 걸쳐 누적될 경우 양자 오류 정정 회로 전체를 교란시킬 수 있다.

R2D 기법: DRAG의 진화

연구팀이 개발한 R2D 기법은 10년 넘게 초전도 큐비트 제어의 표준으로 쓰인 DRAG 기법을 토대로 한다. 주파수 필터처럼 마이크로파 펄스 내 특정 주파수 성분을 선택적으로 제거해, 원하는 연산은 그대로 수행하면서 다광자 전이를 유발하는 성분만 억제하는 방식이다. 그 결과, 원치 않는 다광자 전이 발생 확률이 기존 표준 방법 대비 20배 이상 감소했다. 실험은 위리히 산하 헬름홀츠 나노 시설(Helmholtz Nano Facility)에서 제작된 단일 트랜스몬 큐비트를 대상으로 했으며, 대형 협력 프로젝트 QSOLID의 일환으로 PGI-13(실험군: Yuan Gao·Rami Barends 교수)과 PGI-8(이론군: José da Costa Jesus·Francisco Cárdenas-López 박사·Felix Motzoi 교수)이 공동으로 수행했다.

수치와 한계

두 종류의 기본 단일 큐비트 게이트를 각각 6.8나노초 펄스로 구동한 결과, 충실도는 99.981%와 99.989%로 측정됐다. 연산 1회당 비의도적 에너지 준위 전이 확률은 0.002% 미만으로 억제됐다. 그러나 이번 실험은 외부와 격리된 단일 큐비트에만 적용됐다는 점에서 범용성 주장에는 한계가 있다. 실제 양자 프로세서처럼 여러 큐비트가 결합된 환경, 또는 2큐비트 게이트 연산 중에도 같은 성능이 유지되는지는 추가 검증이 필요하다.