D-Wave, 오류를 광자 손실로 자동 표시하는 2큐비트 얽힘 게이트 구현

연구 배경: 숨겨진 오류의 문제

양자컴퓨터는 열·진동·잡음 등 환경 요인으로 인해 물리적 큐비트에 오류가 빈번히 발생한다. 현재 주류 오류 정정 방식은 수많은 보조 큐비트를 추가해 오류를 간접적으로 감지·수정하는 방식으로, 하드웨어 규모와 비용을 크게 늘린다. 특히 두 큐비트를 연결하는 얽힘 게이트를 구성할 때, 기존 이중궤도(dual-rail) 큐비트의 내장 오류 감지 기능이 무력화되어 오류가 연산 중 파악되지 않는 숨겨진 오류로 바뀌는 문제가 반복적으로 보고돼 왔다.

하드웨어 구조와 게이트 동작 원리

D-Wave 연구팀은 각 큐비트를 두 개의 초전도 마이크로파 공동(cavity)에 분산 저장하는 이중궤도 구조를 채택했다. 두 큐비트를 상호작용시키기 위해 광자를 중간 브리지 공동으로 일시적으로 이동시킨 뒤, 상호작용이 완료되면 광자를 원래 위치로 되돌리는 방식으로 CZ 게이트를 구현했다. 전체 동작은 500나노초 내에 완료된다. 이 설계의 핵심은 게이트 동작 중 발생하는 오류가 탐지 불가능한 형태로 변환되지 않고, 광자 손실—즉 이레이저(erasure)—로 자동 표시된다는 점이다.

실험 결과: 오류 계층 구조 유지 확인

연구팀은 얽힘 상태를 생성한 뒤 무작위 연산 시퀀스를 반복 실행하며 탐지된 오류와 숨겨진 오류의 비율을 측정했다. 실험 결과, 전체 연산의 약 0.5%에서 광자 손실로 자동 표시되는 탐지 가능한 오류가 발생했다. 탐지되지 않은 숨겨진 오류는 게이트당 약 0.1% 미만으로 유지됐으며, 큐비트 상태를 0에서 1 또는 1에서 0으로 뒤집는 비트플립 오류는 100만 분의 1 수준으로 극히 드물게 나타났다. 제어 큐비트가 표적 큐비트에 비해 다소 높은 스트레스를 받는다는 점은 한계로 확인됐다.

스케일링 가능성과 의의

컴퓨터 시뮬레이션 분석에 따르면, 이 게이트 설계를 기반으로 더 큰 양자 시스템을 구성할 경우 시스템이 커질수록 오류 억제 효율이 높아지는 특성이 나타난다. 오류를 숨기지 않고 명시적으로 표시함으로써 오류 정정 코드가 실시간으로 개입할 수 있는 여지가 확보되기 때문이다. 이번 성과는 추가적인 보조 큐비트 수를 최소화하면서도 실용적인 오류 정정 양자컴퓨터로 나아가는 경로를 단축할 수 있다는 점에서 주목된다. 다만 실험은 2큐비트 수준에 머물러 있어, 다수 큐비트 시스템에서의 확장성은 추가 검증이 필요하다.