[주간 QIS] 양자컴퓨터 자율형 오류 보정부터 초전도 양자칩 표면 코드 양자 전이 실증까지

이번 주 양자 컴퓨팅 양자정보과학(QIS) 분야에서는 큐비트 수를 늘리는 경쟁을 넘어 양자정보의 신뢰성을 높이고, 복잡한 양자 시스템을 고전 슈퍼컴퓨터로 검증하는 연구가 발표됐다.

특히 양자 오류 보정, 논리적 양자 상태의 전이, 양자 시스템 시뮬레이션은 미래의 실용적 양자컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 과제다.

트랩 이온 양자컴퓨터, 자율형 오류 보정으로 큐비트 수명 한계 넘어

양자컴퓨터의 실용화를 가로막는 핵심 문제인 양자정보의 불안정성을 해결하기 위한 새로운 실험 결과가 발표됐다. 국제 학술지 Nature Physics에 10월 23일 게재된 연구는 단일 트랩 이온의 여러 내부 스핀 상태에 논리 큐비트를 인코딩하고, 측정과 실시간 피드백에 의존하지 않는 자율형 양자 오류 보정(autonomous quantum error correction)을 구현했다.

연구진은 오류가 발생했을 때 생기는 엔트로피를 이온의 운동 모드로 전달한 뒤 보조 이온을 이용한 냉각으로 제거하는 방법을 사용했다. 기존 오류 보정 방식에서 일반적으로 요구되는 반복적인 오류 측정과 제어 피드백의 부담을 줄이려는 접근이다.

논문에 따르면 연구진은 논리 큐비트의 수명이 오류 보정을 적용하지 않은 기준을 넘어서는 ‘손익분기점(break-even point)’을 실험적으로 달성했다. 외부 환경의 자기장 잡음을 추가한 조건에서도 논리적 양자정보의 수명 연장 효과를 관찰했다.

이 결과는 양자 오류 보정에 반드시 대규모 물리적 큐비트와 복잡한 측정 장치만 필요한 것은 아니라는 가능성을 제시한다. 다만 단일 이온의 다중 내부 상태를 활용한 실험 결과를 대규모 범용 양자컴퓨터의 완성으로 해석해서는 안 된다. 향후 더 복잡한 연산과 다수의 논리 큐비트로 확장할 수 있는지가 중요한 검증 과제다.

초전도 양자 프로세서에서 표면 코드 텔레포테이션 실증

초전도 양자 프로세서에서 오류 보정에 활용되는 표면 코드(surface code)의 논리 상태를 텔레포테이션 방식으로 전이하는 실험 결과가 Nature Physics에 발표됐다. 연구진은 125개 큐비트를 갖춘 초전도 양자 프로세서에서 코드 거리(code distance) 7까지의 표면 코드 상태 텔레포테이션을 구현했다고 밝혔다.

양자 텔레포테이션은 입자를 물리적으로 이동시키는 기술이 아니라, 얽힘과 측정 등을 이용해 한 위치에 인코딩된 양자 상태를 다른 위치로 전달하는 과정이다. 여기서 중요한 대상은 개별 물리적 큐비트가 아니라 오류 보정을 통해 보호되는 논리적 양자정보다.

연구진은 얽힘 게이트의 조건을 조절해 논리 상태의 텔레포테이션이 성공하는 영역을 분석했다. 또한 특정한 코히런트 큐비트 회전을 도입해 텔레포테이션이 가능한 임계 조건을 개선할 수 있음을 보였다. 이는 양자정보를 여러 처리 영역 사이에서 신뢰성 있게 전달하는 분산형 오류 내성 양자컴퓨팅의 기반 연구에 해당한다.

이번 성과의 의미는 125개 물리적 큐비트라는 숫자보다 오류 보정된 논리 상태를 실제 프로세서에서 다뤘다는 데 있다. 앞으로 더 큰 코드 거리와 더 낮은 논리 오류율을 확보하고, 여러 논리 큐비트 사이에서 연산을 수행할 수 있는지가 핵심이다. 이번 결과는 실용적인 대규모 양자컴퓨터를 완성한 것이 아니라 그 구현에 필요한 기술적 기반을 확장한 것으로 평가해야 한다.

스핀 결함 에너지 손실 경로 발견…양자 센서 개선 기대

미국 시카고대학교 연구진이 다이아몬드와 탄화규소(silicon carbide) 내부의 미세한 결정 결함이 빛에 반응하는 과정을 보다 정확하게 계산하는 방법을 개발했다. Physical Review Letters에 실린 이번 연구는 양자컴퓨터와 양자 센서에 활용할 수 있는 스핀 결함(spin defect)의 에너지 손실 메커니즘을 이해하는 데 초점을 맞췄다.

스핀 결함은 결정 구조의 원자가 빠져 있거나 다른 원자로 대체되는 등 불완전한 부분에서 형성된다. 특정 결함은 빛으로 상태를 제어하고 측정할 수 있어 양자정보 저장과 정밀 센싱에 활용될 가능성이 있다. 그러나 빛을 흡수해 들뜬 상태가 된 결함이 어떤 경로로 에너지를 잃고 원래 상태로 돌아가는지 정확하게 계산하기는 어려웠다.

연구진은 다체 파동함수와 비단열 결합 계산 등을 결합해 전자 상태와 주변 원자의 진동이 상호작용하는 과정을 분석했다. 특히 탄화규소의 이중 공공(divacancy) 결함에서 내부 전환(internal conversion)이 들뜬 삼중항 상태의 수명에 미치는 영향이 기존 모델의 예상보다 크다는 사실을 확인했다. 내부 전환은 빛을 방출하지 않고 전자 에너지가 원자 진동 등으로 전달되는 비복사 과정이다.

이번 연구는 양자 소자의 성능을 결정하는 재료 내부의 에너지 손실을 보다 정밀하게 예측할 수 있는 계산 도구를 제공한다. 연구진이 개발한 방법은 양자 기술뿐 아니라 빛을 이용한 에너지 변환·저장 재료 연구에도 적용될 가능성이 있다. 다만 계산 정확도가 향상됐다는 사실이 곧바로 양자 센서의 성능 향상이나 상용화로 이어지는 것은 아니다. 실제 소자에서의 검증이 후속 과제다.