MIT, 데이터 저장과 결합을 분리한 이중 기능 초전도 큐비트 구조 제안

이중 기능 분리의 배경

큐비트는 데이터를 저장하는 동시에 외부 회로와 상호작용해야 하는데, 이 두 역할은 서로 상충하는 경향이 있다. 외부 소자와의 결합 세기를 높이면 노이즈에 취약해지고 결어긋남(decoherence)이 빨라져 오류가 누적되기 때문이다. MIT 팀은 이 문제를 구조적으로 해결하기 위해 큐비트를 두 개의 별개 구성 요소로 나눴다. 결잡음 시간이 긴 설계를 채택한 '데이터 모드'는 정보를 담는 역할을 하고, 강한 외부 결합에 특화된 '암 모드'는 다른 큐비트나 공진기(resonator) 같은 전자 소자와의 상호작용을 전담한다.

쿼톤 결합기의 핵심 역할

두 모드를 연결하는 소자로는 연구팀이 이전에 개발한 쿼톤 결합기(quarton coupler)가 사용됐다. 두 모드를 단순히 연결하면 원치 않는 혼선(mixing)이 발생해 큐비트 수가 늘어날수록 오류가 쌓인다. 쿼톤 결합기는 비선형 결합(nonlinear coupling) 방식으로 이 혼선을 크게 줄이면서도 강한 결합 세기를 유지한다. 비선형 결합은 대부분의 양자 알고리즘 실행에 필수적인 요소로, 이를 통해 암 큐비트는 결어긋남이 발생하기 전에 더 많은 연산을 처리할 수 있다.

시뮬레이션 결과와 기술적 의미

시뮬레이션 평가에서 암 큐비트는 기존 초전도 큐비트 구조들과 비교해 결잡음 시간·게이트 속도·판독(readout) 속도 모두에서 수준급 수치를 기록했다. 제조 공정 오차에 대한 내성과 확장 가능성도 설계의 특징으로 제시됐다. 내결함성 양자컴퓨터를 구현하는 양자 오류 정정(quantum error correction)에는 빠른 게이트 연산과 긴 결잡음 시간이 동시에 요구되는데, 이 두 조건을 하나의 큐비트 구조에서 함께 충족하는 사례가 드물었다는 점에서 이 연구는 주목을 받고 있다. 연구 결과는 Physical Review Applied에 게재됐으며, arXiv(2506.05315)에서도 확인할 수 있다. 저자는 제1저자 Jeremy Kline, 공저자 Alec Yen·Stanley Chen, 교신저자 Kevin O'Brien(EECS 부교수)이다.

한계와 향후 과제

이번 성과는 시뮬레이션 단계에 그친다. 실제 소자 제작(fabrication) 과정에서 모델링이 간과한 물리적 결함이 드러날 수 있으며, 측정을 통한 재검증이 필수적이다. 연구팀은 소자 제작을 다음 목표로 설정하고 실제 양자 시스템과의 통합 가능성을 이어서 검토할 계획이다. 내결함성 양자컴퓨터 구현까지는 소자 수준 검증, 오류 정정 코드와의 통합, 다수 큐비트 연결 등 추가적인 개발 단계가 남아 있다.