고체 네온 위 전자 큐비트, 노이즈 수준 반도체 대비 최대 1만 배 낮아

전자-온-네온 큐비트란 무엇인가

아르곤 연구소 나노재료센터(CNM) 연구팀은 2022년 기체 상태의 네온을 고체로 응고시킨 뒤, 백열전구 필라멘트에서 발생하는 전자를 그 표면에 분사하는 방식으로 새로운 유형의 큐비트를 처음 구현했다. 특수 전극이 표면 바로 위에 단일 전자를 포획하며, 이 전자의 공간적 운동이 큐비트의 0과 1 상태를 나타낸다. 마이크로파 펄스를 내보내는 공명기(resonator)가 큐비트 상태의 제어와 측정을 담당한다.

2023년 후속 연구에서는 이 플랫폼이 0.1밀리초의 결맞음 시간(coherence time)을 달성할 수 있음을 확인했다. 이는 기존 반도체 큐비트 최고 기록 대비 약 1000배 개선된 수치이며, 높은 성능의 초전도 큐비트와 경쟁할 수 있는 수준이다. 높은 게이트 충실도(gate fidelity) 역시 함께 입증됐다.

이번 연구: 노이즈 특성의 체계적 규명

이번 논문의 핵심은 큐비트가 왜 우수한 성능을 보이는지를 정량적으로 밝힌 데 있다. 연구팀은 CNM에서 다양한 주파수의 마이크로파 펄스 시퀀스를 공명기에 가해 큐비트 주변 환경의 노이즈를 측정했다. 전자 큐비트가 주변 전기 노이즈에 비교적 둔감해지는 특정 주파수 구간(이른바 '스위트 스팟')이 존재하지만, 연구팀은 의도적으로 그 영역 밖의 주파수를 탐색해 고체 네온 환경이 큐비트에 미치는 교란을 분리·비교했다.

그 결과, 플랫폼의 노이즈 수준은 대다수 반도체 큐비트 대비 10~1만 배 낮으며, 반도체 분야의 최저 노이즈 기록에 필적하는 것으로 나타났다. 고체 네온이 화학적으로 불활성이고 불순물이 없다는 물성이 낮은 노이즈의 근본 원인으로 분석됐다.

남은 과제와 한계

완전히 노이즈에서 자유롭지는 않다. 연구팀은 표류 전자(stray electrons)와 네온 표면의 불균일성에서 비롯되는 잔류 노이즈를 확인했으며, 이를 저감하기 위한 후속 연구가 이미 진행 중이다. 대규모 양자 정보처리로의 확장성도 아직 실험적으로 입증해야 할 단계다.

제조 비용과 확장 가능성 측면의 이점

반도체·초전도 큐비트 대비 제조 공정이 단순하고 비용이 낮다는 점도 주목할 만하다. 전자 공급원으로 일반 백열전구 필라멘트를 활용할 수 있어, 고가의 소재나 복잡한 공정에 의존하는 기존 플랫폼과 차별화된다. 연구팀은 이 특성이 대규모 양자 정보처리를 위한 플랫폼 경쟁에서 유의미한 이점이 될 수 있다고 보고 있다.