프린스턴대, 이터븀-171 중성 원자로 양자 오류 검출·교정 경로 제시

중성 원자 기반 큐비트의 오류 특성

양자컴퓨터는 열·자기장 등 외부 환경에 극도로 민감한 큐비트를 사용하기 때문에 오류 발생을 피하기 어렵다. 오류의 종류에는 일반적인 파울리 오류처럼 어느 큐비트에 문제가 생겼는지 알 수 없는 경우와, 문제 발생 위치를 시스템이 스스로 식별할 수 있는 소거 오류(erasure error)가 있다. 후자는 오류 위치 정보를 제공하기 때문에 교정 비용이 훨씬 낮다.

프린스턴 연구팀은 준안정 상태의 이터븀-171 원자를 큐비트로 설계해, 발생하는 오류가 소거 오류 형태를 갖도록 공학적으로 유도했다. 이를 소거 변환(erasure conversion)이라 한다.

[[4,2,2]] 거리-2 코드를 통한 교정 시연

연구팀이 선택한 오류 교정 코드는 [[4,2,2]]로, 물리 큐비트 4개가 논리 큐비트 2개를 저장하는 구조다. 이 코드는 거리-2(distance-2)로 분류되어 일반적인 오류 모델에서는 단독으로 오류를 교정하기에 너무 작다고 알려져 있다. 그러나 소거 변환과 결합하면 단일 소거 오류를 교정할 수 있다는 것이 이번 연구의 핵심 주장이다. 회로 구성은 저장 구역과 게이트 구역을 분리한 구조를 취하며, 논리 큐비트 10개를 저장 구역에 배치하는 개념도를 제시했다.

연구팀은 이전 연구에서 소거 오류 검출까지는 성공했으나, 검출된 오류를 실제로 교정하는 방법을 마련하지 못했다는 한계를 인정했다. 이번 연구는 오류 검출에서 논리 큐비트 단위의 교정까지 이어지는 경로를 처음으로 제시한 것이다.

향후 확장 과제와 기술적 한계

이번 연구는 소규모 개념 증명(proof of concept) 단계로, 실용적 양자 연산에 필요한 대규모 오류 교정과는 아직 거리가 있다. 연구팀은 소거 오류뿐 아니라 비소거 오류까지 교정 가능한 더 큰 거리 코드로의 확장, 논리 오류율 대폭 저감을 다음 목표로 설정했다.

기술적 과제로는 회로 실행 중 손실된 원자를 재장전하는 기능, 빠른 논리 연산, 개선된 게이트 품질 등이 남아 있다. 연구팀은 빠른 원자 재장전과 게이트 개선을 병행 연구 중이라고 밝혔으며, 이들 기술이 통합되는 시점을 향후 1년 내로 기대했다.

연구의 의의와 맥락

중성 원자 플랫폼은 이온 트랩, 초전도 큐비트와 함께 주요 양자컴퓨팅 하드웨어 경쟁 구도에서 빠르게 주목받고 있다. 소거 오류 변환 방식은 하드웨어 수준에서 오류 정보를 내재화함으로써 소프트웨어 기반 오류 교정 부담을 낮출 수 있다는 점에서 학계의 관심을 받아 왔다. 이번 Nature Physics 논문은 그 실현 가능성을 구체적 실험 체계로 뒷받침했다는 점에서 의미가 있다.