반도체 스핀 큐비트 확장성 난제, 두 연구팀이 독립적으로 돌파구 제시

반도체 스핀 큐비트의 가능성과 한계

반도체 스핀 큐비트는 실리콘 내 양자점(quantum dot)에 가둔 단일 전자의 스핀 상태에 정보를 저장하는 방식이다. 기존 반도체 제조 공정과 소재를 그대로 활용할 수 있다는 점에서 다른 큐비트 방식 대비 양산 친화적이며, 외부 환경 잡음에 비교적 강한 결맞음(coherence) 특성을 보인다.

그러나 근본적인 제약이 있다. 큐비트 간 상호작용이 극히 근거리에서만 작동하기 때문에, 큐비트들을 빽빽이 배치해야 하는데 그러면 각 큐비트를 개별 제어할 배선과 하드웨어를 놓을 공간이 부족해진다. 연결성과 제어 가능성이라는 두 가지 확장성 장벽이 오랫동안 해결되지 않은 채 남아 있었다.

델프트팀: 큐비트를 물리적으로 이동시켜 연결성 확보

델프트공과대학교 Lieven Vandersypen 연구팀은 단일 큐비트를 약 1.2마이크로미터 거리에서 왕복 이동(shuttling)시키는 소자를 제작했다. 이 방식으로 하나의 이동 큐비트가 주변 4개의 고정 큐비트와 순차적으로 상호작용하도록 설계했다.

연구팀은 이를 활용해 양자 오류 정정의 핵심 연산인 다중 큐비트 패리티 검사(parity check)를 수행했으며, 5개 큐비트 전체에 걸친 진성 다중 큐비트 얽힘(entanglement)을 실험적으로 확인했다. 큐비트를 물리적으로 이동시킴으로써 밀집 배치에 따른 연결 한계를 우회하는 접근법이다.

HRL 양자팀: 54개 양자점 칩으로 제어 확장성 검증

HRL 양자팀은 제어 문제에 집중했다. 이들이 제작한 칩에는 54개의 양자점이 집적되어 있으며, 각 양자점은 최대 18개의 큐비트를 수용할 수 있도록 설계됐다. 큐비트 칩은 초전도 리본 케이블로 맞춤 제작된 제어 칩과 연결되며, 제어 칩은 큐비트 동작 온도보다 약간 높은 환경에서 냉각 운용된다.

이 시스템에서 오류 감지 및 오류 정정 루틴을 실행한 결과, 이전 세대 대비 큐비트 성능이 약 10배 향상됐다고 팀은 보고했다. 배선의 복잡성을 줄이면서도 대규모 제어를 가능하게 하는 모듈형 구조를 검증한 사례다.

의미와 한계

두 연구는 각각 별개의 병목, 즉 연결성(Delft)과 제어(HRL)를 독립적으로 공략했다는 점에서 상호 보완적이다. 두 접근법 모두 모듈형·복제 가능한 설계 방향을 제시하며, 향후 대규모 실리콘 기반 양자컴퓨터 아키텍처 설계에 참고 자료로 활용될 수 있다.

다만 현재 달성된 큐비트 수와 연결 규모는 실용적 양자컴퓨터 수준에는 여전히 상당한 거리가 있다. 두 방식이 하나의 통합 시스템에서 동시에 구현될 수 있는지도 아직 미지수다. 이번 결과는 기술적 가능성의 개념 증명(proof of concept)에 해당하며, 실제 확장에는 추가적인 공학적 과제가 남아 있다.