소산으로 양자 얽힘 생성·유지…초전도 큐비트 실험 구현

소산, 적에서 도구로

양자 기술의 핵심 장애물 중 하나는 시스템이 주변 환경과 상호작용하며 정보와 에너지를 잃는 현상, 즉 소산이다. 이 과정은 얽힘을 무너뜨리는 결어긋남(decoherence)을 유발하기 때문에 그동안 억제 대상으로만 여겨졌다. 이번 연구는 소산을 오히려 얽힘 생성의 동력으로 전환할 수 있다는 이론적 예측을 실험실에서 처음으로 구현했다는 점에서 주목된다.

캐스케이딩과 정상 상태 얽힘의 원리

연구팀이 활용한 이론적 틀은 '캐스케이딩(cascading)'이다. 초전도 큐비트와 같은 양자 객체들이 빛을 지속적으로 흡수·방출할 때, 외부에서 적절한 빛을 주입해 방출되는 빛과 균형을 맞추면 시스템이 특정 정상 상태로 수렴한다. 이 정상 상태를 정밀하게 설계하면 큐비트들이 얽힘을 자연스럽게 형성한다. 주목할 점은 큐비트가 물리적으로 이동할 필요 없이, 단방향 도파관을 통한 통신만으로 이 과정이 이뤄진다는 것이다. 이론상 얽힘은 임의로 큰 거리에서도 무기한 유지될 수 있다.

합성 스퀴징: 이상에서 현실로

기존 캐스케이딩 기반 방식은 현실의 노이즈와 하드웨어 불완전성으로 인해 얽힘 품질이 저하되는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 '합성 스퀴징(synthetic squeezing)'이라는 새로운 기법을 개발했다. 이 기법은 실험 변수들을 미세 조정해 이상적인 모델의 조건을 실제 환경에서 재현하는 방식으로 작동한다. 결과적으로 노이즈와 하드웨어 결함이 얽힘 품질에 미치는 영향을 크게 상쇄할 수 있었다. UIUC의 Wolfgang Pfaff 교수와 시카고대 Aashish Clerk 교수가 각각 실험·이론 파트를 이끌었다.

한계와 향후 방향

현재 달성한 얽힘 수준은 이론적 상한선에는 미치지 못한다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 '얽힘 증류(entanglement distillation)' 프로토콜 적용을 검토 중이다. 낮은 얽힘을 가진 다수의 큐비트를 결합해 일부에 높은 얽힘을 집중시키는 이 방식이 성공하면 실질적인 양자 연산 적용이 가능해진다. 또한 현재 두 큐비트에 국한된 합성 스퀴징을 다중 큐비트 시스템으로 확장하는 작업도 진행 중이다. 양자 네트워킹과 분산 양자 컴퓨팅 분야에서 잠재적 응용 가능성이 거론되지만, 실용화까지는 추가적인 검증이 필요하다.