RIKEN, 실리콘 스핀 큐비트 3개 동시 제어에서 99.99% 초과 게이트 충실도 달성

실리콘 스핀 큐비트와 규모화의 벽

실리콘 스핀 큐비트는 기존 반도체 공정과의 높은 호환성 덕분에 대규모 양자컴퓨터 구현의 유력 플랫폼으로 꼽혀왔다. 전자의 스핀 상태에 양자 정보를 저장하는 이 방식은 원칙적으로 현행 집적회로 제조 인프라를 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 복수의 큐비트를 동시에 구동하면 연산 충실도가 크게 떨어지는 문제가 고질적인 한계로 지적되어 왔다. 오류 허용(fault-tolerant) 양자컴퓨터를 실현하려면 수많은 큐비트를 동시에 고충실도로 제어하는 기술이 필수적이기 때문에, 이 문제의 해결 여부는 실리콘 플랫폼의 실용화 가능성을 가늠하는 핵심 지표다.

AC 슈타르크 이동: 병렬 제어 오류의 주원인 규명

연구팀은 5개의 실리콘 스핀 큐비트를 하나의 공유 마이크로파 라인으로 제어하는 배열을 구성한 뒤, 병렬 동작 시 정확도가 저하되는 근본 원인을 체계적으로 분석했다. 그 결과, 마이크로파 제어 신호가 유발하는 AC 슈타르크 이동(AC Stark shift)이 주된 오류 원천임을 밝혀냈다. 이 현상은 큐비트의 유효 에너지 준위를 변화시켜 양자 상태의 위상을 의도치 않게 편이시키며, 여러 큐비트를 동시에 구동하는 상황에서는 각 큐비트의 제어 정밀도를 상호 간섭 방식으로 저해한다.

쌍별 위상 보정 프로토콜로 3큐비트 동시 구동 돌파

연구팀은 AC 슈타르크 이동 문제를 완화하기 위해 규모화 가능한 위상 보정 프로토콜을 고안했다. 이 방법의 핵심은, 가능한 모든 큐비트 조합에 대해 개별 보정을 수행하는 대신 큐비트 쌍 사이의 보정값만으로 원치 않는 위상 편이를 상쇄하는 데 있다. 쌍별 보정 방식은 큐비트 수가 늘어나도 보정에 필요한 절차 수가 조합적으로 폭증하지 않아 확장성 면에서 유리하다.

최적화된 소자 설계와 정밀 교정된 마이크로파 제어 펄스를 결합한 결과, 5개 큐비트 각각을 개별 동작시킬 때는 99.99%를 크게 상회하는 단일 큐비트 게이트 충실도를 달성했으며, 최고치는 99.999%에 근접했다. 3개 큐비트를 동시에 구동할 때도 99.99% 이상의 충실도를 유지하는 데 성공했다.

5큐비트 전체 병렬 동작과 남은 한계

5개 큐비트를 모두 동시에 구동했을 때 충실도는 약 99.9% 수준으로 다소 낮아졌다. 이 추가적인 저하는 동시 구동에 필요한 마이크로파 출력 증가가 야기하는 구동 유도 결어긋남(drive-induced decoherence)에 기인하는 것으로 분석됐다. 이 현상은 위상 편이와 달리 양자 결맞음 자체를 손상시키는 것으로, 이번에 개발된 위상 보정 프로토콜만으로는 보완하기 어렵다. 연구팀은 소자 구조 개선을 통한 추가 완화 가능성을 언급하며, JST 문샷 목표 6번 과제의 일환으로 오류 허용 실리콘 스핀 양자컴퓨터 구현을 장기 목표로 설정하고 있음을 밝혔다. 단일 공유 제어 라인을 통한 병렬 제어 방식이 대규모 양자 프로세서로의 확장 경로로 실용적임을 이번 연구 결과가 뒷받침한다.