시드니대·IBM, 양자오류정정 중 측정 유휴 잡음 정량화 및 성능 개선

연구의 배경: 오류정정 자체가 오류를 부른다

양자컴퓨터는 연산 중 발생하는 오류를 실시간으로 탐지·수정하기 위해 물리 큐비트 일부를 오류 감지용으로 할당하는 방식, 즉 양자오류정정(QEC)을 사용한다. 그런데 이 오류정정 과정 자체가 새로운 잡음원이 될 수 있다는 점이 오랜 난제였다. 이번 연구는 바로 그 지점, 특히 회로 중간 측정(mid-circuit measurement) 단계에서 파생되는 유휴 잡음(idling noise)을 표적으로 삼았다.

측정 유휴 잡음의 메커니즘

회로 중간 측정은 연산 진행 도중 특정 큐비트의 상태를 고전적으로 판독해 오류 여부를 확인하는 절차다. 문제는 이 측정이 완료될 때까지 나머지 모든 큐비트가 아무 연산도 수행하지 않고 대기해야 한다는 것이다. 이 대기 시간 동안 환경과의 상호작용으로 인한 잡음이 축적되며, 이것이 논리 큐비트의 충실도를 떨어뜨리는 핵심 병목으로 작용한다는 사실을 연구팀이 정량적으로 확인했다.

156큐비트 Heron 프로세서를 통한 검증

연구팀은 IBM Quantum Heron r2 156큐비트 초전도 프로세서를 이용해 다양한 오류정정 기법의 성능을 비교·평가했다. 대기 시간을 줄이도록 오류정정 회로를 재설계한 결과, 논리 큐비트 생존율이 사이클당 90% 미만에서 96% 초과로 향상됐다. 또한 측정 잡음이 현재 세대 양자 장치에서 논리 연산 신뢰도를 제한하는 지배적 요인 중 하나임을 추가로 확인했다.

협력 구조와 자금 출처

이번 성과는 2024년 공식화된 시드니대-IBM 협력 프로젝트의 직접적 산물이다. 해당 프로젝트는 미국 정부 산하 연구기관인 IARPA(Intelligence Advanced Research Projects Activity)로부터 지원을 받고 있으며, 시드니대와 유니버시티 칼리지 런던(UCL) 간 인재교류 프로그램을 통해 UCL 박사과정 연구자가 시드니 Nano 연구그룹에 참여하는 국제 협력 형태로 진행됐다. IBM 양자 과학자이자 IARPA 공동 연구책임자인 Ben Brown 박사는 회로 중간 측정 특성화를 위한 QEC 벤치마크 설계에 기여했다.

의미와 한계

이번 연구는 대규모 양자컴퓨터 실현을 위해 어느 수준의 오류정정 성능이 필요한지를 구체적 수치로 제시했다는 점에서 공학적 설계 기준을 마련하는 데 기여한다. 다만 실험은 단일 아키텍처(초전도 방식)에 국한됐으며, 이온트랩·광자 기반 시스템에서 동일한 결론이 도출될지는 별도 검증이 필요하다. 또한 현재의 96% 생존율은 실용적 내결함성 양자컴퓨팅에 요구되는 수준에는 아직 미치지 못한다는 점을 연구팀 스스로도 인식하고 있다.