ANU·IonQ, 포획 이온 양자 게이트 100배 속도 향상 기법 개발

작동 원리: 이온 체인을 통한 에너지 전달

연구팀은 레이저 펄스를 이온 체인에 정밀하게 가하는 방식으로 두 이온 사이에 얽힘을 생성한다. 핵심은 목표 이온 쌍에만 작용하고 중간의 이온들은 최종적으로 원래 상태로 돌아오게 한다는 점이다. 이 동역학적 거동이 뉴턴의 요람(Newton's cradle)과 유사해 연구팀이 같은 이름을 붙였다. 인접하지 않은 두 이온도 체인을 통한 에너지 전파를 매개로 얽힘 처리가 가능하며, 30~40개 큐비트 체인 내 어느 쌍에도 적용할 수 있다.

단열 게이트의 한계에서 벗어나다

기존 포획 이온 게이트는 단열 영역에서 작동해 속도가 느렸다. 교수 Joe Hope는 이를 막는 물리적 근거가 없었음에도 관행적으로 느린 영역에 머물러 있었다고 설명했다. 연구팀은 기계 최적화 알고리즘을 이용해 다른 파라미터 영역을 탐색했다. 초기에는 약 100나노초 수준의 초고속 펄스를 목표로 했으나 현실적인 구현이 어려웠다. 이후 명예학생(honors student) Isabelle Savill-Brown이 더 느린 펄스 구간을 탐색하면서 오히려 이전에는 얻지 못했던 비인접 이온 쌍 간 해(solution)들을 발견했다. 1~10마이크로초 구간이 에너지가 체인 전체를 전파하기에 충분한 시간 스케일이었기 때문이다.

충실도와 확장성

이 게이트 방식이 빠를수록 충실도가 높아지는 이유는 잡음 특성에 있다. 대부분의 잡음원은 수십 헤르츠에서 수백 킬로헤르츠 범위에 분포하는데, 마이크로초 스케일의 게이트 동작은 이 잡음 주파수보다 높은 영역에서 이루어져 영향을 덜 받는다. 시뮬레이션 충실도는 약 99.99%로 산출됐다. 또한 체인에 연결되는 게이트 수를 늘려도 게이트 속도가 저하되지 않는 확장성도 확인됐으며, 이종(異種) 이온 혼합 체인에도 적용 가능해 냉각·저장·링킹 등 기능별로 특화된 이온을 혼용할 수 있다. 최적화 알고리즘은 트랩 형상이나 불안정 조건에서도 해를 탐색하는 강인성을 보였다.

IonQ와의 협업 및 향후 과제

연구팀은 미국 포획 이온 양자컴퓨팅 기업 IonQ와 협력해 필요한 레이저 펄스 시퀀스를 실증하는 레이저 시스템을 구성했다. 현재는 이온 체인 내 하나의 이온 쌍을 순차적으로 다루는 단계이며, 향후 두 쌍 이상을 동시에 처리하는 병렬 게이트 구현을 목표로 하고 있다. 물리적으로 분리된 이온 체인들은 광섬유를 통한 광자 연결(photonic interconnect)로 묶을 수 있어, 더 복잡한 양자 계산 구조로 확장하는 경로도 열린다. 현재까지 양자 볼륨 지표에서는 Quantinuum이 선두를 유지하고 있으며, 이번 연구는 이 지표를 개선할 잠재적 기반 기술로 평가된다.