시드니대·IBM, 중간회로 측정 잡음 정량화로 내결함성 양자컴퓨팅 진전

중간회로 측정이 오류정정을 가로막는 구조적 이유

양자 오류정정(QEC)은 데이터 큐비트의 비트 반전·위상 오류를 실시간으로 감지하기 위해 보조(앤실라) 큐비트를 반복 측정하는 구조에 의존한다. 이 진단 단계에서 보조 큐비트는 계산 중간에 의도적으로 고전 상태로 붕괴되는데, 이것이 중간회로 측정(MCM)이다. 문제는 MCM이 진행되는 동안 주변의 비측정 큐비트들이 불가피하게 유휴 상태에 놓인다는 점이다. 물리 큐비트는 환경 열 잡음과 위상 결맞음 손실에 극히 민감하기 때문에, 오류를 검출하려는 바로 그 행위가 새로운 오류를 누적시키는 역설적 상황이 발생한다.

실험 설계와 검증 인프라

연구팀은 뉴욕주 포킵시에 설치된 IBM 퀀텀 시스템 투(Quantum System Two) 내 156큐비트 IBM 퀀텀 Heron r2 초전도 프로세서를 기반으로 벤치마크를 수행했다. 로빈 하퍼(Robin Harper) 박사가 제1저자, 스티븐 바틀릿(Stephen Bartlett) 교수가 프로젝트 총괄을 맡았으며, IBM 양자 과학자 벤 브라운(Ben Brown) 박사와 유니버시티칼리지런던(UCL) 연구원 콘스탄스 레네(Constance Lainé)도 참여했다. 미국 정보고등연구활동국(IARPA)이 공동 지원한 국제 프로젝트다.

회로 재설계를 통한 유휴 잡음 억제

연구팀은 앤실라 판독 도중 데이터 큐비트가 유휴 상태에 머무는 시간을 최소화하도록 오류정정 회로의 물리적 배치와 실행 일정을 전면 재구성했다. 기존 방식에서 90% 미만으로 떨어졌던 논리 큐비트 생존율이 최적화된 회로에서 오류정정 주기당 96% 이상으로 상승했다. 이로써 MCM 유발 유휴 잡음이 현재 초전도 방식 하드웨어에서 논리 게이트 충실도를 저하시키는 주요 물리적 제한 요소임이 처음으로 정량적으로 입증됐다.

기술적 의의와 한계

이번 연구의 핵심 기여는 기존에 막연히 인지되던 MCM 유휴 잡음 문제를 분리·수량화해 오류정정 설계의 구체적 개선 방향을 제시한 데 있다. 다만 논리 큐비트 생존율 96%는 완전한 내결함성 연산에 요구되는 임계 수준에 아직 도달하지 못했으며, 실제 알고리즘 실행에서 요구되는 다수의 오류정정 주기가 연속 실행될 때의 누적 오류율은 별도 검토가 필요하다. 또한 이번 실험은 초전도 아키텍처에 국한되어 있어, 이온 트랩이나 광자 기반 플랫폼에 대한 적용 가능성은 후속 연구 과제로 남는다.