옥스퍼드 연구진, 이종 이온트랩 4큐비트 양자 네트워크에서 원격 얽힘 10초 유지

실험 구성: 이종 이온을 단일 네트워크로 통합

옥스퍼드대학교 연구팀은 전자기장으로 이온을 고정하는 이온트랩 기술을 기반으로, 광섬유로 연결된 두 노드로 이루어진 4큐비트 양자 네트워크를 구현했다. 각 노드에는 스트론튬 이온 1개와 칼슘 이온 1개가 함께 수용됐다. 연구팀이 두 원소를 조합한 배경은 원소별 물리적 특성의 차이를 활용하기 위해서였다. 스트론튬은 노드 간 광자 링크를 담당하고, 칼슘은 양자 정보의 국소 저장소 역할을 맡는 분업 구조다.

얽힘 생성: 광자 Bell 상태 측정과 이온 간 전이

두 노드 간 초기 얽힘은 스트론튬 이온에서 방출된 광자 두 개를 중앙 측정 장치로 모아 Bell 상태 측정을 수행하는 방식으로 만들어진다. 특정 광자 검출 패턴이 나타나면 두 스트론튬 이온이 얽힌 상태에 놓였음을 의미한다. 이후 각 노드 내부 연산을 통해 이 얽힘을 칼슘 이온으로 전이시켰으며, 이 과정을 거쳐 최대 4개의 이종 이온이 동시에 얽힌 다자 얽힘 상태를 구현했다.

10초 유지: 칼슘 이온 메모리의 역할

이번 성과의 핵심은 칼슘 이온의 특정 양자 상태가 자기장 잡음에 낮은 민감도를 갖는다는 특성에서 비롯된다. 실험 결과, 칼슘 이온에 전이된 원격 얽힘은 10초 이상 보존됐다. 이는 네트워크 링크 큐비트(스트론튬)의 수명이 통상 수 밀리초 수준임을 감안하면 수천 배에 달하는 연장이다. 코히어런스 시간을 대폭 늘릴 수 있는 메모리 큐비트의 도입이 양자 네트워크 실용화의 주요 병목 중 하나를 해소할 가능성을 시사한다.

분산 양자컴퓨팅·센싱으로의 응용 전망

연구팀은 원격 얽힘을 통해 분리된 양자 프로세서들이 협력 연산을 수행하는 분산 양자컴퓨팅의 기반이 될 수 있다고 전망했다. 오류 정정을 포함한 복잡한 네트워크 프로토콜 구현, 원격 양자센서를 활용한 정밀 측정, 원자 시계 간 주파수 비교, 양자 보안 통신도 잠재적 적용 영역으로 거론됐다.

한계와 향후 과제

현재 시스템은 2노드 4큐비트 규모로, 실용적 분산 양자컴퓨팅에 필요한 수십~수백 노드 규모와는 거리가 크다. 노드 간 얽힘 생성 성공률, 연산 충실도, 다중 노드 확장성 등 해결해야 할 공학적 과제가 남아 있다. 연구팀은 이종 이온 조합을 더욱 확장하고 오류 정정 기능을 갖춘 복잡한 네트워크 프로토콜 구현을 다음 단계 목표로 설정했다.