Alice & Bob·ENS Lyon, DC 편향 SQUID로 고양이 큐비트 2광자 소산 구현

마이크로파 펌프 방식의 구조적 한계

고양이 큐비트는 메모리 공동(cavity)에서 광자 쌍을 지속적으로 제거하는 2광자 소산 과정으로 안정화된다. 기존 구현에서는 강력한 마이크로파 펌프 톤을 사용해 이 과정을 활성화하는데, 이 과정에서 자기-커(self-Kerr) 및 교차-커(cross-Kerr) 비선형 주파수 이동이 부수적으로 발생한다. 이러한 기생 효과는 양자 상태 충실도를 떨어뜨리고 다중 큐비트 규모 확장 시 제어 복잡도를 높이는 원인으로 지적돼 왔다.

DC 전압 편향 SQUID의 동작 원리

연구팀이 채택한 방식은 플럭스 조절 가능한 SQUID에 안정적인 DC 전압 편향을 인가하는 것이다. 이 구조에서는 쿠퍼 쌍 터널링이 이산 에너지(2eV)를 방출하며, 이 에너지가 메모리와 버퍼 광자 상태 간 에너지 차이에 정확히 대응한다. 조셉슨 주파수가 연속적으로 회전하는 특성상 1차 기생 커 항과 자속 이탈조율이 동적으로 평균화되어 소거된다.

실험 구성은 고-Q 메모리 도파관 공진기(4.0429 GHz)와 손실이 큰 버퍼 공진기(7.56 GHz)를 SQUID로 결합한 형태다. 메모리 모드 격리를 위해 대역폭 2 GHz의 4단 대역 저지 필터를 탑재했으며, 버퍼 소산률은 κb/2π = 85 MHz로 설정해 빠른 광자 제거를 가능케 했다.

핵심 측정 결과

DC 전압값 조정만으로 1-대-1, 2-대-1, 4-대-1 광자 변환 과정을 선택적으로 활성화하는 데 성공했다. 위그너 상태 층촬영(Wigner state tomography)으로 결정론적 광자 쌍 추출이 확인되었다.

주요 성능 수치는 다음과 같다. 최대 2광자 스왑률 18.2 MHz(g2/2π), 유효 2광자 소산률 0.48 MHz(κ2/2π), 1-대-1 결합 분리 2g1/2π ≈ 85 MHz, 임계 결합률 g1/2π = 4.8 MHz를 달성했다. 메모리 자기-커 비선형성은 K/2π < 3 kHz로 측정되어 기생 효과가 효과적으로 억제됨을 보였다.

4-광자 변환과 확장 가능성

이번 실험에서 4-대-1 광자 변환 과정도 활성화되었다. 이는 네 개의 결맞음 상태에 정보를 분산 인코딩하는 사지(four-legged) 고양이 코드, 즉 4성분 고양이 큐비트로 가는 직접적인 물리적 경로를 제시한다. 복잡한 다주파수 마이크로파 제어 없이 DC 배선만으로 이를 구현한다는 점이 핵심이다.

마이크로파 라인을 DC 배선으로 대체하면 희석 냉동기 내 배선 복잡도와 열 부하가 줄어들어 수십~수백 큐비트 규모 집적 시 공학적 이점이 기대된다.

의미와 과제

이번 결과는 마이크로파 펌프 없이 자율적으로 고양이 큐비트를 안정화하는 아키텍처의 실험적 실현 가능성을 입증한다. 다만 현재 달성된 유효 소산률 0.48 MHz가 실용적 오류 정정 문턱을 충족하는지, 다중 큐비트 칩 집적 시 교차 결합 영향이 발생하지 않는지는 후속 연구에서 검증이 필요하다. 결과는 arXiv에 사전 공개됐다.