연구 배경: 동시 구동이 왜 어려운가
실리콘 스핀 큐비트는 반도체 공정과의 호환성 덕분에 확장성 측면에서 주목받아 왔다. 그러나 양자 오류 정정(QEC) 사이클을 구동하려면 여러 큐비트를 동시에 조작해야 한다는 근본적 난관이 있다. 유휴 상태의 실리콘 스핀 큐비트는 위상 결맞음 시간(T2*)이 약 10 μs에 불과해, 순차적 단일 큐비트 조작만으로는 큐비트가 순서를 기다리는 사이에 양자 상태가 붕괴한다. 반면 구동 중인 큐비트의 결맞음 시간(T2,R)은 약 100 μs로 10배 길어, 동시 구동이 오류 억제에 필수적이다.
핵심 장애물: AC-Stark 이동과 크로스토크
기존에 여러 큐비트를 병렬 구동할 경우 게이트 충실도가 99.9% 이상에서 99.5% 수준으로 급락하는 문제가 있었다. 연구팀은 이 열화의 주원인이 비공명 마이크로파 펄스가 인접 큐비트에 유발하는 AC-Stark 이동임을 규명했다. 이 이동에 의한 위상 편차(Δφij)가 선형적으로 합산된다는 점에 착안해, 큐비트 쌍마다 위상 축적을 개별 측정·보정하는 N(N-1) 방식의 쌍별 교정 프로토콜을 고안했다. 이 방식은 2N−N−1 규모의 지수적 교정 부담 없이 큐비트 수에 비례하는 선형적 교정으로 크로스토크를 제거한다.
실험 성과: 5큐비트 동시 구동 결과
5큐비트 28Si/SiGe 양자점 배열을 대상으로 한 실험에서, 개별 구동 조건에서는 각 큐비트가 99.993%~99.998%의 단일 큐비트 원시 게이트 충실도를 기록했다. 2개 및 3개 동시 구동 조건에서는 99.99%를 상회했으며, 5개 전 큐비트 동시 구동 시에도 최저 99.90%~최고 99.977%를 유지해 결함 허용 임계치를 넘었다. 인접 양자점 간 잔류 교환 상호작용(Joff)은 16.6 kHz 미만으로 억제됐고, 250 ns 및 500 ns 펄스 조건 모두에서 결과가 재현됐다.
확장성 함의: 배선 밀도 감소와 향후 경로
단 하나의 임피던스 정합 마이크로파 전송선으로 5큐비트를 동시 고충실도 제어했다는 점은 배선 밀도 절감 및 희석 냉동기 내 열부하 완화로 직결된다. 연구팀은 현재 방식으로 큐비트당 약 10개 단위의 모듈형 실리콘 스핀 큐비트 셀 구성이 가능하다고 밝혔다. 나아가 표면 마이크로마그넷을 BEOL(후단 공정) 나노마그넷으로 대체하면 로컬 자기장 구배가 두 배로 증가하고, 2~3 MHz 수준의 빠른 게이트 동작과 낮은 마이크로파 파워에서 10큐비트 병렬 제어 모듈로의 확장이 가능하다고 전망했다.
남은 과제
이번 성과는 단일 큐비트 게이트에 국한된다. 2큐비트 얽힘 게이트의 동시·병렬 구동 충실도 검증, 실제 표면 코드 사이클 구현, 그리고 BEOL 나노마그넷 집적화는 후속 과제로 남아 있다. 또한 큐비트 수가 늘어날수록 N(N-1) 교정 측정 수도 증가하므로, 50큐비트 이상 규모에서의 교정 오버헤드 관리가 과제가 될 전망이다.
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: RIKEN Demonstrates High-Fidelity Simultaneous Control of Silicon Spin Qubits Above 99.9% Threshold
