이스라엘 스타트업 Qarakal, 물리 큐비트 10배 절감 모듈형 아키텍처 공개

핵심 문제: 2차원 격자 수술의 한계

오류 내성 양자컴퓨팅에서 가장 널리 연구되는 접근은 표면 코드(surface code) 기반의 격자 수술(lattice surgery)이다. 그러나 이 방식은 논리 큐비트 간의 연산을 수행할 때 인접한 물리적 배치를 전제로 하기 때문에, NL개의 논리 큐비트를 구현하는 데 O(d²NL)개의 물리 큐비트가 필요하다. 코드 거리 d가 커질수록 오버헤드가 제곱으로 불어나는 구조적 문제다.

Qarakal Quantum이 공개한 Pangaea는 이 병목을 정면으로 겨냥한다. 2차원 평면 배열 대신 3차원 모듈형 구조를 채택해 논리 큐비트 간 연산을 중재하는 전용 경로를 별도로 분리했다.

양자 버스: 보조 게이지 코드 스트립

Pangaea의 핵심 구성 요소는 '보조 게이지 코드 스트립(auxiliary gauge-code strip)'으로 구현된 양자 버스다. 이 버스는 물리적으로 떨어진 2차원 위상 코드 패치들 사이에서 논리 연산을 중재하며, 표면 코드와 색깔 코드(color code)처럼 서로 다른 위상 코드 계열 간의 결합 패리티 측정을 지원한다. 중요한 점은 개별 패치 수준에서는 최근접 이웃 연결성을 유지한다는 것이다.

이를 통해 물리 큐비트 요구량이 O(dNL)로 낮아져, 기존 2차원 표면 코드 대비 스케일링 차수 자체가 줄어든다. 또한 15-to-1 마법 상태 증류(magic-state distillation) 모듈을 아키텍처에 자체적으로 내장해 범용 양자 게이트 구현에 필요한 자원을 추가 절감한다.

시뮬레이션 성능: 50논리 큐비트 기준

논문에서 수행된 유사 임계(pseudo-threshold) 잡음 모델 시뮬레이션에서 Pangaea는 50개 논리 큐비트 규모를 대상으로 평가됐다. 결과에 따르면, 기존 평면 표면 코드 아키텍처와 동등한 논리 오류율을 달성하면서 필요한 물리 큐비트 수는 10분의 1 수준이었다. 아울러 측정 기반 오류 내성 CNOT 게이트 동작도 검증했으며, 배선 밀도와 제어 전자장치 부담, 극저온 냉각 요구량 감소 효과도 보고됐다.

산업적 맥락과 남은 과제

Pangaea의 설계 철학은 컴퓨팅·메모리·라우팅 역할을 담당하는 패치들을 독립적으로 구성·확장할 수 있게 함으로써, 클래식 컴퓨터의 버스 아키텍처에서 착안한 모듈형 설계를 양자 하드웨어에 적용한 것이다. 이는 단일 프로세서를 물리적으로 키우는 방식에서 벗어나 모듈 간 백플레인 연결로 시스템을 조합하는 업계 추세와 맥을 같이한다.

다만 현 단계는 이론 및 시뮬레이션 수준이다. arXiv 프리프린트는 동료 심사를 거치지 않았으며, 실제 초전도 하드웨어에서 동일 성능이 재현될 수 있는지는 아직 확인되지 않았다. 게이지 코드 버스의 물리적 구현 난이도와 IP 보호 범위, 상용화 일정 역시 공개 정보가 제한적이다.