RIKEN, 실리콘 스핀 큐비트 AC 스타크 편이 억제로 5큐비트 병렬 충실도 99.99% 유지

실리콘 스핀 큐비트와 병렬 제어 문제

실리콘 스핀 큐비트는 현재 상용 반도체 제조 공정과 호환되는 덕분에 대규모 확장성을 갖춘 양자컴퓨터 플랫폼으로 주목받는다. 그러나 복수의 큐비트를 동시에 구동할 경우 연산 정밀도가 떨어지는 고질적 문제가 있었다. 실용적 양자컴퓨터는 수많은 큐비트를 동시에 오류 없이 조작해야 하므로, 병렬 제어 시 충실도 저하를 억제하는 방법론 확보가 확장성의 관건이다.

AC 스타크 편이: 오류의 주요 원인 규명

연구팀은 병렬 제어 시 정확도 저하의 물리적 원인을 먼저 찾아냈다. 마이크로파 제어 신호가 동시에 인가될 때 나타나는 AC 스타크 편이(AC Stark shift)가 주범이었다. 이 현상은 인가된 마이크로파 신호가 큐비트의 유효 에너지 준위를 바꾸어 양자 상태의 위상을 의도치 않게 이동시키는 방식으로 연산 정밀도를 저해한다. 여러 큐비트를 동시에 구동할수록 이 편이 효과가 중첩되어 오류가 누적된다.

쌍별 위상 보정 프로토콜

연구팀은 확장 가능한 오류 억제 방안으로 쌍별(pairwise) 위상 보정 프로토콜을 고안했다. 이 방법은 가능한 모든 큐비트 조합마다 별도의 보정 절차를 수행하는 대신, 두 큐비트 간 교정 결과를 조합해 더 많은 큐비트를 동시에 구동할 때 발생하는 불필요한 위상 편이를 보상한다. 큐비트 수가 증가해도 보정 작업량이 기하급수적으로 늘지 않아 대규모 시스템에도 적용할 수 있다는 점이 특징이다.

달성 성능과 남은 한계

최적화된 소자 설계와 교정된 마이크로파 펄스를 결합한 결과, 5개 큐비트를 각각 개별 가동할 때 단일 큐비트 게이트 충실도는 모두 99.99%를 넘었고 최고치는 99.999%에 육박했다. 쌍별 보정 프로토콜 적용 시 최대 3큐비트 동시 가동에서도 99.99% 이상을 유지했으며, 5큐비트 전체를 동시에 구동했을 때에는 약 99.9%로 낮아졌다. 이 수치는 오류 허용 양자컴퓨팅의 실용 임계에 근접한 것으로 평가된다. 잔존 충실도 저하의 원인은 병렬 구동에 필요한 마이크로파 출력 증가에 따른 구동 유도 결어긋남(drive-induced decoherence)으로 파악됐다. 이는 위상 보정으로는 해결되지 않는 물리적 결어긋남이므로, 소자 설계 수준의 추가 개선이 향후 과제로 남는다.

JST Moonshot 프로젝트와 장기 목표

본 연구는 일본 과학기술진흥기구(JST)의 Moonshot Goal 6 산하 실리콘 양자컴퓨팅 프로젝트의 일환이다. 공유 마이크로파 선로 방식은 큐비트 수가 늘어날수록 배선 복잡도를 억제할 수 있어 대규모 실리콘 기반 양자 프로세서 구현 경로로 유망하다. 연구팀은 실리콘 스핀 큐비트 기반 오류 허용 양자컴퓨터 구현을 장기 목표로 설정하고, 이번 병렬 제어 기술을 그 필수 전제 조건으로 자리매김하고 있다.