소산 공학으로 초전도 큐비트 얽힘 생성 — ISTA팀, 20년 이론 첫 실험 구현

연구 배경: 환경을 자원으로 전환하는 발상

초전도 양자컴퓨팅 개발의 핵심 과제는 큐비트를 외부 환경으로부터 격리하는 일이다. 큐비트가 주변과 상호작용하면 중첩 상태를 유지하는 위상 관계가 무너지고, 결어긋남(decoherence)과 오류율 상승으로 이어지기 때문이다. 이에 대부분의 공학적 노력은 이 결합을 차단하는 방향으로 집중되어 왔다.

2003년 Barbara Kraus와 Ignacio Cirac이 제안한 소산 공학(dissipation engineering)은 반대 관점을 취한다. 환경과의 결합 자체를 의도적으로 설계하면, 시스템이 원하는 양자 상태로 자연스럽게 수렴할 수 있다는 개념이다. ISTA의 알레한드로 안드레스-후아네스, 요하네스 핑크 연구팀은 뮌헨·마드리드 공동 연구자들과 함께 이 이론을 처음으로 실험으로 구현했다.

실험 원리: 얽힘 광자쌍을 매개체로

연구팀은 조지프슨 파라메트릭 변환기(Josephson parametric converter)를 사용해 펌프 광자 하나를 기가헤르츠 대역의 광자 쌍으로 분리했다. 이 두 광자는 서로 얽힘 상태이며, 각각 별도의 동축 케이블을 통해 양방향으로 0.5미터 거리에 위치한 트랜스몬 큐비트로 전달된다.

두 큐비트에 도달하는 마이크로파 잡음이 양자 상관을 지니기 때문에, 큐비트들이 이 환경으로 이완하는 과정에서 위상 관계가 흐트러지지 않는다. 대신 큐비트들은 특정 중첩 상태에 안착하며, 이 상태에서는 첫 번째 도파관에서의 광자 방출과 두 번째 큐비트에서의 광자 흡수가 상쇄 간섭을 일으켜 시스템이 더 이상 진화하지 않는다. 연구팀은 이를 '어둠 상태(dark state)'로 묘사하며, 얽힘을 형성한 필드 자체에도 보이지 않는 상태임을 강조한다. 이 과정에서 마이크로파 빔이 운반하는 연속변수(CV) 얽힘이 일반 큐비트 얽힘으로 변환되며, 변환 효율은 약 10분의 1 수준이다.

결과와 현실적 한계

실험에서 측정된 두 큐비트의 얽힘 수렴도(concurrence)는 0.10으로, 이상적인 최대값 1.0에 비해 낮다. 온도 제약도 현실적인 장벽이다. 마이크로파 주파수 대역은 극저온에서만 양자적 거동을 보이므로, 큐비트 간 거리는 희석 냉동기 크기에 의해 제한된다. 이 방식으로 구현된 최장 링크는 ETH 취리히의 30미터다. 연구팀은 이 기술을 장거리가 아닌 중간 거리 기술로 분류하고 있으며, 광학 주파수로 전환하면 온도 제약은 해소되지만 원자계에서의 강한 큐비트-도파관 결합 구현이라는 별도 과제가 생긴다.

의의와 응용 전망

기존 얽힘 생성 방식은 펄스 시퀀스 실행, 검출기 신호 확인, 사후 선택 등 능동적 이벤트 기반 구조를 요구하며, 얽힘은 재초기화 전까지 소실된다. 이번 연구는 이러한 오버헤드 없이 얽힘을 '상시 유지'하는 자율적 방법을 제시한다. 하나의 상관 광자 소스가 다수의 큐비트 쌍을 동시에 구동할 수 있어 확장성 측면에서도 이점이 기대된다. 연구팀은 현재 노드당 큐비트 수를 늘린 모듈 구성 작업을 진행 중이며, 장기적으로 분산 양자컴퓨팅, 네트워크 센싱, 양자 중계기 분야에 응용 가능성이 있다.