Sandia·Quantinuum, H1-1 논리 GST로 Steane 코드 결맞음 오류 원인 규명

논리 게이트셋 토모그래피 등장 배경

게이트셋 토모그래피(GST)는 물리 큐비트 수준의 노이즈를 단일 통합 모델로 자기 일관되게 재구성하는 특성화 기법이다. 그러나 기존 방법론은 오류 정정 코드로 인코딩된 논리 큐비트 수준까지 확장된 사례가 없었다. Sandia와 Quantinuum 연구팀은 이 공백을 메우기 위해 Logical GST를 개발하고, H1-1을 대상으로 한 마지막 실험 캠페인에서 이를 검증했다. arXiv에 공개된 논문은 내결함성 양자 연산의 노이즈 구조가 이론 가정과 실제로 부합하는지 체계적으로 확인할 수 있는 플랫폼 독립적 검증 틀을 제시한다.

실험 설계: 능동 오류 정정과 비횡단 게이트

실험은 7개 데이터 큐비트와 6개의 신드롬 자유도로 구성된 [[7,1,3]] Steane 코드 위에 논리 큐비트 하나를 인코딩해 진행됐다. 통상적인 논리 벤치마킹에서 흔히 쓰이는 소프트웨어 기반 파울리 프레임 추적은 결맞음 위상 오류를 가리는 효과가 있어 실제 노이즈 특성을 왜곡할 수 있다. 연구팀은 실시간 고전 피드포워드를 통한 능동 양자 오류 정정으로 이를 대체, 게이트 존 내 이온에 물리 보정 펄스를 직접 인가했다.

특성화 대상 게이트셋은 논리 초기화(|0⟩L), 종료 측정(MZ,L), 횡단 Clifford 게이트 세 종류(HL, SL, IL), 그리고 마법 상태 주입 및 텔레포테이션으로 구현된 비횡단 TL 게이트로 이뤄졌다. TL 게이트의 시도당 수용률은 95.9%로 측정됐다.

실험 결과: 파울리 모델 확인과 에뮬레이션에서 드러난 숨겨진 오류

실제 H1-1 실험에서는 158개 압축 회로, 샷당 50회 측정을 수행했다. 얽힘 비충실도는 Hadamard(HL) 0.7±0.4%, Phase(SL) 0.2±0.4%, Identity/QEC 사이클(IL) 1.7±9.2%, 비클리포드(TL) 1.2±1.5%, 측정(MZ,L) 0.1±1.4%로 측정됐다. 데이터는 파울리 추계 채널 모델과 부합(NσS < 1)했으며 유의미한 비마르코프 기억 효과도 관찰되지 않았다(NσCPTP < 2).

그러나 샷 수 제약으로 인한 통계 해상도 한계를 극복하기 위해 H1-1E 에뮬레이터로 14,100샷 고해상도 시뮬레이션을 별도 수행한 결과, 유의미한 논리 수준 비마르코프성(NσCPTP ≈ 4.9)과 SL·IL·TL 게이트에서 Δθ ≈ 0.0015π 규모의 결맞음 논리 회전 오류가 명확히 드러났다. 에뮬레이터의 오류 채널을 체계적으로 토글하는 분석으로, 이온 수송 및 동조 냉각 과정에서 누적되는 물리적 위상 이완이 해당 결맞음 논리 드리프트의 주원인임이 확인됐다.

기술적 의미와 남은 과제

이번 연구는 완전히 마르코프적인 물리 노이즈 환경에서도 신드롬 추출 사이클을 거치면 비마르코프 논리 동역학이 유도될 수 있음을 실험적으로 처음 보였다. 이는 현대 양자 오류 정정 디코더가 전제하는 독립적 파울리 추계 노이즈 모델이 내결함성 QPU 규모 확장 시에도 유효한지를 직접 검증할 수 있는 방법론을 제공한다는 점에서 의미가 크다. 다만 실제 하드웨어 실험의 샷 수가 50회에 불과해 통계 불확실성이 상당히 크며, 에뮬레이션 결과와의 직접 정량 비교에는 한계가 있다. 단일 논리 큐비트를 대상으로 한 연구인 만큼, 다중 논리 큐비트 시스템 및 더 높은 코드 거리로의 확장 가능성은 후속 검증이 필요하다.