IBM, 양자칩 2개 연결해 상태 전송 충실도 99%… 모듈형 양자컴퓨터 확장 돌파구

120큐비트급 Nighthawk 프로세서 2개를 80cm 초전도 인터커넥트 4개로 연결… 칩 간 양자 게이트 충실도는 평균 94.75%

IBM이 서로 분리된 초전도 양자 프로세서 두 개를 장거리 양자 인터커넥트로 연결하고, 양자 상태 전송 충실도 99%를 달성했다. 단일 칩의 큐비트 수를 늘리는 방식에서 벗어나 여러 양자칩을 하나의 시스템으로 연결하는 모듈형 양자컴퓨팅 기술이 진전된 것이다. 특히 이번 실험은 양자 상태를 다른 칩으로 전달하는 데 그치지 않고, 칩 사이의 양자 게이트 연산과 얽힘 생성까지 시연했다는 점에서 의미가 있다.

IBM은 27일(현지시간) 공개한 연구 결과에서 120큐비트급 Nighthawk R1 초전도 양자 프로세서 두 개를 네 개의 장거리 인터커넥트인 L-커플러(l-coupler)로 연결했다고 밝혔다. 연구진은 각 연결부에 약 80cm 길이의 초전도 알루미늄 동축 케이블을 사용했다. 이 시스템은 극저온 냉각기 내부에서 작동하며, 떨어져 있는 프로세서 사이로 양자 정보를 전달할 수 있도록 설계됐다.

단일 칩의 한계를 넘어서는 모듈형 양자컴퓨팅

초전도 양자컴퓨터는 큐비트 수가 증가할수록 칩 설계와 제조, 신호 배선, 극저온 환경 유지가 복잡해진다. 칩을 크게 만드는 것만으로는 대규모 시스템을 효율적으로 확장하기 어렵다. 개별 프로세서의 제조와 조립을 최적화하면서 여러 칩이 하나의 계산 시스템처럼 작동하도록 연결하는 접근이 필요한 이유다.

IBM이 추진하는 모듈형 양자컴퓨팅은 이러한 문제에 대한 대안이다. 개별 양자 프로세서가 연산을 수행하고, 인터커넥트가 프로세서 사이에서 양자 정보를 전달한다. 이를 통해 단일 칩의 물리적 제약을 완화하고 더 많은 큐비트를 포함하는 시스템으로 확장할 수 있다.

다만 양자칩을 연결하는 것은 일반적인 컴퓨터의 프로세서나 GPU를 연결하는 것과 다르다. 양자 정보는 외부 환경과의 상호작용으로 양자 상태가 흐트러질 수 있으며, 연결 과정에서 발생하는 손실과 잡음도 연산의 정확도에 영향을 미친다. 따라서 연결 거리를 늘리는 것뿐 아니라 양자 상태를 높은 충실도로 전달하고, 여러 연결부를 동시에 운용하면서도 오류를 제어하는 기술이 중요하다.

L-커플러의 핵심 성과는 상태 전송과 칩 간 연산

이번 연구에서 IBM은 두 프로세서 사이에 네 개의 L-커플러를 구성했다. 각 연결부는 케이블만으로 이루어진 단순한 통로가 아니다. 칩 내부 큐비트와 케이블 사이에서 양자 상태를 전달하기 위한 주파수 조절형 L-큐비트와 결합 장치, 관련 제어 구성요소가 함께 작동한다.

연구진이 측정한 양자 상태 전송 충실도는 네 연결부 평균 99.00%였다. 가장 높은 성능을 보인 연결부는 99.29%를 기록했다. 이는 한 프로세서에 저장된 양자 상태를 다른 프로세서로 전달하는 과정에서 높은 정확도를 확보했음을 뜻한다.

그러나 상태 전송 성능과 칩 간 양자 게이트 연산의 정확도는 구분해야 한다. 연구에서는 서로 다른 프로세서에 있는 큐비트 사이에서 제어된 위상 반전(CZ) 게이트도 구현했다. 이 칩 간 2큐비트 게이트의 평균 충실도는 94.75%였으며, 최고 성능은 96.42%였다. 두 프로세서에 걸친 얽힘 상태를 생성하고, 인접한 두 연결부를 동시에 사용해 독립적인 벨 상태를 만드는 실험도 수행했다.

이 차이는 기술의 현재 수준을 평가하는 데 중요하다. 양자 상태를 높은 정확도로 전달할 수 있더라도, 실제 연산은 상태 전달과 여러 양자 게이트의 조합으로 구성되기 때문에 추가적인 오류가 발생할 수 있다. 대규모 양자컴퓨터를 구현하려면 연결부의 전송 성능뿐 아니라 칩 간 연산의 충실도와 안정성도 함께 개선해야 한다.

플라밍고에서 코카투·스타링으로 이어지는 IBM 로드맵

IBM은 칩 간 연결 기술을 장기적인 오류정정 양자컴퓨터 개발 전략의 일부로 추진하고 있다. L-커플러는 물리적으로 떨어진 양자 프로세서 모듈을 연결하는 기술이며, M-커플러(m-coupler)는 인접한 칩을 연결하는 방식으로 개발돼 왔다. 이와 별도로 C-커플러(c-coupler)는 같은 칩 안에서 멀리 떨어진 큐비트 사이의 연결성을 확보하는 데 초점을 맞춘다.

IBM의 로드맵에서 플라밍고(Flamingo)는 모듈형 연결 기술의 확장을 다루며, 코카투(Kookaburra)는 양자 메모리와 논리 연산을 결합한 모듈을 구현하는 단계다. 이어 코카투 모듈 사이의 양자 통신을 발전시키는 콕카투(Cockatoo)와 여러 모듈을 연결해 오류정정 논리 연산을 수행하는 스타링(Starling)으로 이어지는 계획이 제시돼 있다. 각 단계는 서로 다른 기술적 목표를 갖기 때문에 이번 L-커플러 실험 하나만으로 후속 시스템의 구현이 완료됐다고 해석해서는 안 된다.

궁극적인 목표는 단순히 물리적 큐비트를 많이 연결하는 데 있지 않다. 물리적 큐비트 여러 개를 이용해 오류에 더 강한 논리 큐비트를 구성하고, 서로 다른 모듈에 저장된 논리 정보를 안정적으로 교환하며, 오류정정이 가능한 양자 연산을 수행하는 것이다. 이를 위해서는 인터커넥트의 충실도와 재현성을 높이는 동시에 연결부를 더 많이 배치하고 시스템 전체의 제어 복잡성을 관리해야 한다.

상용 확장까지 남은 과제

이번 결과는 양자 프로세서 사이에 여러 개의 장거리 연결부를 구현하면서 높은 상태 전송 충실도를 확보할 수 있음을 보여준다. 그러나 대규모 시스템으로 확장하려면 연결부의 제조 수율과 반복 재현성을 높이고, 큐비트의 결맞음 유지와 극저온 환경에서 발생하는 잡음 문제를 개선해야 한다. IBM도 향후 연결부의 오류율을 낮추고 더 많은 인터커넥트를 대형 프로세서에 적용하는 연구가 필요하다고 설명했다.

특히 평균 94.75%의 칩 간 CZ 게이트 충실도는 추가적인 개선이 필요한 지표다. 실제 오류정정 시스템에서는 개별 게이트의 성능만이 아니라 회로 전체에서 오류가 얼마나 누적되는지, 오류정정 코드가 이를 얼마나 효과적으로 억제하는지, 제어와 측정 과정이 실시간으로 수행되는지를 함께 평가해야 한다.

왜 중요한가

오류 보정(여러 물리 큐비트로 오류를 잡아 믿을 만한 논리 큐비트 하나를 만드는 기술)에는 큐비트가 대량으로 필요하다. IBM은 앞으로의 확장이 더 큰 칩만이 아니라 여러 프로세서가 양자 정보를 주고받는 방식에 기대게 될 것이라고 보고, 이번 설계를 내결함성 양자컴퓨터 ‘스타링’까지 키울 수 있다고 설명했다.

한계도 분명하다. 원거리 게이트 충실도 94.75%는 상태 전송 99%보다 낮다. IBM도 모든 지표에 개선 여지가 있다며 수율·재현성 향상, 오류율 감소, 꽂고 뺄 수 있는 l-커플러 확대를 다음 과제로 꼽았다.

*원문: IBM Quantum 블로그 · arXiv:2610.29986

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