EPFL, 조셉슨 접합 기반 새 판독 구조로 초전도 큐비트 측정 성능 개선

초전도 큐비트 판독의 구조적 병목

초전도 양자컴퓨터에서 큐비트 상태를 읽어내는 표준 방식은 큐비트를 마이크로파 공진기에 커패시터로 연결한 뒤 공진기의 응답 신호를 분석하는 구조다. 그러나 이 커패시터 결합은 큐비트와 공진기를 물리적으로 혼합시키는 부작용을 낳는다. 측정 신호를 강하게 쏘면 판독 속도가 빨라지지만 동시에 큐비트가 측정 도중 정보를 잃거나 상태가 바뀌는 퍼셀(Purcell) 오류가 증가한다. 이를 억제하기 위해 통상적으로 퍼셀 필터와 고감도 증폭기를 추가하는데, 이것이 시스템 규모와 교정 부담을 키우는 주된 원인이었다.

조셉슨 접합을 추가한 새 판독 아키텍처

EPFL 연구팀은 기존의 커패시터 단독 연결 대신, 커패시터와 조셉슨 접합을 병렬로 배치하는 구조를 제안했다. 1973년 노벨 물리학상 수상자 Brian Josephson의 이름을 딴 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 얇은 비초전도 장벽을 끼운 소자로, 양자역학적 터널링 효과로 전류가 흐른다. 이 소자의 비선형성은 큐비트와 공진기 사이에 비섭동적 교차-커(cross-Kerr) 결합을 형성하며, 그 결과 퍼셀 오류에 대한 내재적 보호 특성이 구조 자체에 내장된다. 캐나다 셔브룩 대학교 Alexander Blais 교수팀과의 협력으로 도출된 이론 예측이 실험 결과와 정밀하게 일치해 메커니즘의 타당성이 뒷받침됐다.

실험 성능 지표

네 쌍의 큐비트-공진기 소자를 단일 공통 피드라인에 연결한 장치에서, 연구팀은 적분 시간 68나노초 조건에서 큐비트 상태 판별 성공률 99.4%를 달성했다. 아울러 양자비파괴(QND) 충실도는 98.4%로, 측정 행위 자체가 큐비트 상태를 거의 교란하지 않음을 보였다. 두 수치 모두 퍼셀 필터와 근-양자한계 증폭기 없이 얻어진 결과여서 하드웨어 절감 효과가 두드러진다.

하드웨어 단순화와 확장성

부품 수 감소는 단순한 원가 절감을 넘어 확장성 측면에서 의미가 크다. 현재 초전도 양자컴퓨터의 규모 확장에는 각 큐비트에 딸린 보조 소자 증가에 따른 배선·교정 복잡도가 핵심 장벽으로 꼽힌다. 새 구조는 다중화(multiplexed) 판독 방식과 호환되어 다수의 큐비트를 공통 하드웨어로 동시에 읽어낼 수 있으며, 공진기 특성 조정을 통해 기존의 선형 판독 방식으로도 전환 가능하다. 다만 이 호환 경로는 현세대 장치에서 직접 검증된 것이 아니라 향후 연구 과제로 제시된 수준이다.

한계와 전망

현재 결과는 소규모 4큐비트 장치에서 검증됐으며, 수십~수백 큐비트 규모에서의 재현성과 열 환경·제어 전자기기와의 통합 문제는 추가 연구가 필요하다. 연구팀은 이 아키텍처가 트랜스몬 기반 초전도 양자컴퓨터의 판독 경로를 단순화하는 유력한 대안이 될 수 있다고 평가하며, 더 많은 큐비트를 포함하는 차세대 장치 구현을 예고했다.