허페이 스타트업·USTC, 단일 실리콘 광자칩에서 16큐비트 MBQC 시연

연구 배경: 광자 기반 MBQC의 한계를 넘어서

측정 기반 양자컴퓨팅은 먼저 다입자 얽힘 자원 상태(resource state)를 준비한 뒤 단일 큐비트 측정과 고전 피드백으로 연산을 수행하는 방식이다. 광자를 물리적 큐비트로 활용할 경우, 상온 동작과 집적회로 호환성이라는 장점이 있지만, 독립 단일광자원 여러 개를 동시에 얽히게 할 때 다광자 우연계수율이 큐비트 수에 지수적으로 감소하는 문제가 핵심 걸림돌이었다. 슈투트가르트 대학교가 실리콘 광자칩에서 4큐비트 MBQC를 80.8% 정확도로 구현한 것이 이전까지의 온칩 기준점이었다.

핵심 접근법: 고차원 경로 인코딩

이번 연구가 채택한 핵심 전략은 고차원 경로 인코딩이다. 4개의 광자 각각을 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 플랫폼 위에 형성된 16개 독립 도파로 경로로 분기시킴으로써, 광자 1개가 4큐비트의 정보를 담는 4레벨 큐디트(qudit)로 기능하게 한다. 이를 통해 16큐비트 그린베르거-호른-자일링거(GHZ) 상태와 클러스터 그래프 상태를 4개의 광자만으로 생성하며, 다광자 우연계수 요구량을 O(2¹⁶)에서 O(2⁴) 수준으로 대폭 압축한다. 연산 층은 마흐-젠더 간섭계 어레이와 열광학 위상 변환기 4개 층으로 구성되며, 실시간 고전 피드백 루프가 적응형 단일 큐비트 측정을 제어한다.

실험 결과와 인증된 다입자 얽힘

연구팀은 16개 경로 인코딩 큐비트 가운데 10개에서 진성 다입자 얽힘(genuine multipartite entanglement)을 얽힘 목격자 기법으로 인증했다고 보고했다. 또한 4개 탐색 목표를 대상으로 한 그로버 알고리즘 실행에서 98.7%의 평균 식별 확률을 기록했으며, 이는 슈투트가르트 대학교의 4큐비트 온칩 벤치마크 80.8%를 크게 상회한다. 큐비트 수와 정확도 모두 종전 최고 수준을 넘어선 결과다.

구조적 한계와 앞으로의 과제

고차원 경로 인코딩은 다광자 동시 측정 문제를 완화하는 대신 새로운 취약점을 수반한다. 광자 1개를 잃으면 해당 광자가 담고 있던 4큐비트 상태 정보가 한꺼번에 소실된다. 이는 스케일 확장 시 광자 손실 허용 한도를 더 좁히는 요인으로 작용한다. 아울러 해당 논문은 현재 사전인쇄본 단계로, 전송 손실 프로파일과 얽힘 목격자 측정의 정합성 등 핵심 지표에 대한 동료 심사가 아직 완료되지 않았다.

산업적 함의: 융합 기반 양자컴퓨팅과의 연계

이번 결과는 PsiQuantum, QuiX Quantum 등 글로벌 광자 하드웨어 업체들이 개발 중인 융합 기반 양자컴퓨팅(FBQC) 아키텍처에서 요구되는 고충실도 온칩 자원 상태 생성의 구성 요소 수준 시연으로 평가받을 수 있다. 중국 내 양자 광자 집적회로 연구가 스타트업과 국가 연구소의 협력을 통해 국제 경쟁 수준에 도달했음을 시사하는 사례이기도 하다.