RIKEN 연구팀, 실리콘 5큐비트 병렬 조작에서 99.9% 초과 충실도 달성

실리콘 큐비트 병렬 제어의 난관

실리콘 기반 양자컴퓨터 연구에서 오랜 난제 중 하나는 다수의 큐비트를 동시에 구동할 때 불가피하게 발생하는 충실도 저하 문제다. 단일 혹은 소수 큐비트에서의 고충실도 시연은 이미 여러 연구 그룹에서 보고됐지만, 복수 큐비트를 병렬로 조작하는 순간 전자기 크로스토크, 제어 신호 간 간섭, 환경 노이즈 등이 복합적으로 작용해 성능이 급격히 떨어진다.

RIKEN 창발물성과학연구센터 양자기능시스템연구그룹의 레온 카멘진트 연구원, 이셴 우 국제프로그램 어소시에이트(연구 당시), 다루차 세이고 그룹디렉터를 포함한 국제공동연구팀은 이 한계를 실증적으로 극복하는 방법론을 제시했다. 연구팀은 실리콘 양자비트 5개를 동시에 조작하는 조건에서도 각 큐비트의 게이트 동작 정밀도가 99.9% 이상을 유지함을 확인했다.

배선 단순화라는 구조적 기여

이번 연구의 의미는 충실도 수치 개선에만 그치지 않는다. 실리콘 큐비트 기반 프로세서를 확장할 때 공학적으로 가장 까다로운 문제 가운데 하나가 바로 제어 배선의 복잡도다. 큐비트 수가 늘어날수록 각 큐비트에 연결해야 하는 배선이 기하급수적으로 증가하고, 이에 따른 열 부하와 전자기 노이즈는 극저온 환경을 유지해야 하는 양자 칩 전체 성능을 직접적으로 위협한다.

연구팀이 제안한 접근법은 병렬 조작을 허용하면서도 제어 회로의 단순화 가능성을 동시에 열었다는 점에서, 단순한 성능 지표 달성을 넘어 확장 가능한 설계 방향을 제시했다는 평가를 받는다. 실리콘은 기존 반도체 제조 인프라와의 호환성이 높아, 초전도 큐비트나 이온트랩 방식에 비해 대규모 집적화에 구조적으로 유리한 플랫폼으로 꼽힌다.

오류 정정 임계값과 확장성 과제

양자 오류 정정 이론에서 일반적으로 언급되는 충실도 임계값은 99~99.9% 구간이다. 이 임계값을 안정적으로 넘어서야 표면 코드(surface code)를 비롯한 오류 정정 코드가 실질적인 효과를 발휘할 수 있다. 이번 5큐비트 병렬 조작 결과는 그 임계값을 병렬 환경에서 충족했다는 점에서 오류 내성 양자컴퓨터 구현 경로에 한 걸음 더 가까워진 성과로 볼 수 있다.

다만 5큐비트 규모의 성과를 수십, 수백 큐비트 이상으로 확장했을 때도 동일 수준의 충실도를 유지할 수 있을지는 아직 검증이 남아 있다. 큐비트 수가 늘어날수록 크로스토크 관리와 노이즈 특성 분석의 난도가 비선형적으로 증가하기 때문이다. RIKEN 연구팀은 이번 성과를 대규모 병렬 제어를 위한 기반 기술의 출발점으로 명시하고 있어, 후속 연구를 통한 확장성 검증이 다음 단계 과제가 될 전망이다.