Quantinuum·HQS, H2-1 이온트랩 42큐비트로 21-스핀 NMR 스펙트럼 0.07 ppm 해상도 재현

실험 배경: 고전 시뮬레이션에 부담이 큰 이종핵 분자 선택

Quantinuum과 독일 소프트웨어 기업 HQS Quantum Simulations의 공동 연구팀은 이온트랩 시스템 H2-1에서 1,2-다이-터트-부틸-다이포스판의 액체 상태 NMR 분광을 엔드-투-엔드 디지털 방식으로 시뮬레이션했다. 이 분자는 2개의 31P 핵과 20개의 1H 핵으로 이루어진 22-스핀 이종핵 계로, 스펙트럼의 미세 구조를 재현하려면 4차 결합-스핀 상관관계까지 추적해야 해 고전 시뮬레이션에 상당한 부담이 되는 대상이다.

효율화 전략: 스핀 수 감소와 게이트 자원 절감

연구팀은 두 인(P) 원자의 부분계를 단일항-삼중항(|S⟩, |T0⟩) 부분 공간으로 투영하는 하드웨어 효율적 사상(mapping)을 적용했다. 이 변환으로 22-스핀 전체 계를 21-스핀 유효 해밀토니안으로 압축했고, 트로터 단계당 필요한 ZZPhase 게이트 수도 69개에서 20개로 줄였다. 이 설계 선택이 깊은 회로의 실행 가능성을 확보하는 데 결정적인 역할을 했다.

회로 구조 및 다층 오류 억제 스택

총 42큐비트가 투입됐다. 시스템 큐비트 21개는 스핀 역학 시뮬레이션을 담당하고, 앤실라 큐비트 21개는 회로 중간 누설(leakage) 감지 장치에 전용됐다. 시간 진화는 Δt = 0.42 ms 간격의 트로터 단계를 70회 반복해 물리적 진화 시간 29.4 ms를 구현했으며, 최대 2-큐비트 게이트 깊이는 1,442개에 달했다. 네이티브 게이트셋은 Rz, PhasedX, 매개변수화된 ZZPhase를 사용했다. 오류 억제는 에코 컴파일링, 동적 디커플링(DD), 전체 트로터 단계 파울리 트월링, 서버 측 동적 디커플링, 앤실라 기반 누설 사후 선별을 조합한 다층 스택으로 구성됐다.

핵심 성과: 선행 22-큐비트 실험이 놓쳤던 이중 피크 해상

기존 초전도 및 이온트랩 기반 22-큐비트 실험들은 3.9~4.3 ppm 영역에 존재하는 이중 피크 구조를 해상도 부족으로 분리하지 못했다. H2-1의 전-대-전(all-to-all) 이온 채널 연결성과 높은 게이트 충실도, 아이들 메모리 오류 완화 기법이 시너지를 이루어 이번 실험에서는 이 이중 피크를 약 0.07 ppm 분해능으로 재현하는 데 성공했다.

한계와 적용 가능성

연구팀 스스로 인정하듯, 일상적인 고자기장 액체 상태 분광에서는 Spinach 같은 고전 솔버가 계산 효율성 면에서 여전히 우위에 있다. 이번 결과의 주요 의의는 고전 방식이 구조적으로 취약한 초저주파(ZULF) NMR 및 고체 상태 재료 특성화 분야에서 깊은 디지털 해밀토니안 시뮬레이션 워크플로의 실용적 경쟁력을 검증한 데 있다. 관련 논문은 arXiv 프리프린트로 공개됐다.