펜실베이니아대, 다이아몬드 NV 센터 병렬 게이트로 4큐비트 얽힘 10배 가속·충실도 0.92 달성

다이아몬드 NV 센터와 큐비트 얽힘의 과제

다이아몬드 결정 내 질소-공공 센터는 양자 정보 플랫폼 중 상온 동작이 가능한 유망한 후보다. 결함 부위의 전자 스핀을 중심 큐비트로, 주변 탄소-13 원자핵 스핀을 핵 큐비트로 활용한다. 그러나 기존 방식은 중심 전자와 핵 큐비트를 하나씩 순서대로 게이트 연산으로 연결해야 했다. 이 순차 방식은 연산 시간이 길어지고, 의도하지 않은 큐비트에도 영향을 미치는 크로스토크 오류를 유발한다는 구조적 한계를 지녔다.

병렬 다중 큐비트 게이트 구현

연구팀은 전자 1개와 탄소-13 핵 3개, 총 4개의 큐비트를 대상으로 정밀하게 타이밍을 조율한 동적 디커플링 펄스 시퀀스를 적용해 전자가 세 핵 큐비트와 동시에 상호작용하도록 유도했다. 이를 통해 기존의 여러 단계 순차 연산을 단 하나의 병렬 게이트 연산으로 대체하는 데 성공했다. 생성된 상태는 4큐비트가 모두 0이거나 모두 1인 두 집합적 배열의 양자 중첩을 공유하는 GHZ 상태로, 다중 양자 결맞음 측정을 통해 얽힘이 검증됐다.

속도와 충실도의 동시 향상

병렬 게이트의 소요 시간은 14.8 μs로, 순차 2큐비트 게이트를 반복하는 방식에 비해 10배 빠른 수치다. 이는 초미세 결합 주파수가 설정하는 이론적 하한에 근접한 값이다. 충실도 면에서도 병렬 4큐비트 게이트는 0.92(4)를 기록한 반면, 순차 방식은 0.69(3)에 그쳤다. 빠른 게이트 속도는 결맞음 시간 내에 더 많은 연산을 수행할 수 있게 해주며, 크로스토크 오류가 누적될 여지도 줄어든다. 또한 전자 큐비트를 배제한 순수 핵 큐비트 3개 조합으로도 병렬 3큐비트 게이트를 구현했다.

의미와 한계

이번 성과는 고체 상태 양자 레지스터에서 다중 입자 얽힘을 효율적으로 생성하는 새로운 경로를 열었다는 점에서 의미가 있다. 양자 오류 정정, 양자 알고리즘 실행, 양자 강화 센싱 모두 다중 큐비트 얽힘에 의존하기 때문이다. 다만 이번 실험은 4큐비트 규모에 머물렀으며, 큐비트 수를 더 늘렸을 때 충실도와 속도 이점이 유지되는지는 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 이 기법이 NV 센터 외 다른 고체 상태 플랫폼으로도 확장 가능하다고 밝혔다. 해당 연구는 Nature Nanotechnology에 게재됐다.