Sizhen Chip·중국과기대, 실리콘 포토닉 칩서 16큐비트 GHZ 상태 온칩 구현

실험 개요

Sizhen Chip과 중국과기대 양자정보 핵심 실험실 공동 연구팀은 자체 개발한 프로그래머블 실리콘 포토닉 집적 칩을 이용해 두 종류의 다큐비트 양자 상태를 온칩 환경에서 안정적으로 생성하는 데 성공했다. 첫째는 4개 광자를 활용한 16큐비트 GHZ(Greenberger–Horne–Zeilinger) 얽힘 상태이고, 둘째는 단일 광자를 이용한 4큐비트 클러스터 상태다. 논문은 고차원 인코딩 단일 광자를 활용한 다큐비트 그래프 상태의 온칩 생성을 주제로 arXiv에 프리프린트로 제출돼 동료 심사는 아직 진행되지 않았다.

측정 기반 양자컴퓨팅(MBQC) 방식의 채택

이번 연구의 핵심 접근은 측정 기반 양자컴퓨팅(MBQC) 모델의 적용이다. 광자 기반 시스템에서는 결정론적 2큐비트 논리 게이트가 효율적으로 구현되기 어렵다는 구조적 제약이 존재한다. MBQC는 대규모 얽힘 상태를 사전에 준비한 후 단일 큐비트 측정만으로 연산을 진행하는 방식으로, 게이트 기반 모델에서 런타임에 필요한 2큐비트 게이트 실행 부담을 초기 얽힘 상태 준비 단계로 이전한다.

연구팀은 단일 광자의 경로 자유도를 활용한 고차원 인코딩 기법을 도입했다. 이를 통해 복잡한 다광자 상태 준비 문제를 단일 광자 수준의 고차원 확장·라우팅·계층적 측정 연산으로 변환했으며, 4층 구조의 프로그래머블 측정 모듈을 사용해 다큐비트 그래프 상태 준비와 임의 단일 큐비트 측정을 구현했다.

실험 결과: 얽힘 검증과 알고리즘 시연

16큐비트 GHZ 상태 생성 후, 얽힘 목격자(entanglement witness) 방법을 통해 그 중 10큐비트의 진성 얽힘(genuine entanglement)이 검증됐다. 연구팀은 이를 광학 양자 칩에서 시연된 최대 규모의 얽힘 상태라고 주장한다.

별도 시연으로 단일광자 4큐비트 클러스터 상태를 준비하고 그 위에서 그로버(Grover) 탐색 알고리즘을 실행한 결과, 평균 식별 확률 0.987을 달성했다. 이 수치는 알고리즘이 정상 동작하고 있음을 시사하나, 측정 조건과 통계적 신뢰 구간에 대한 독립적 검증은 향후 동료 심사에서 확인이 필요하다.

FBQC와 확장성

MBQC의 파생 아키텍처인 퓨전 기반 양자컴퓨팅(FBQC)은 기존 게이트 회로 모델에 비해 높은 오류 내성 임계값을 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 동일 광자 자원 조건에서 더 많은 큐비트 규모를 확보할 수 있다는 점은 포토닉 시스템의 스케일업 경로로 주목된다.

의미와 한계

Sizhen Chip은 이번 성과로 대규모 그래프 상태의 온칩 구성을 실현한 중국 최초의 광학 양자컴퓨팅 기업이 됐다고 자평했다. 그러나 연구가 프리프린트 단계에 있고 기업 주도 발표라는 점, 그리고 다광자 시스템이 갖는 근본적 한계—광자 수 증가에 따른 지수적 확률 감소와 낮은 다광자 소스 효율—가 이번 연구에서 완전히 해소된 것은 아니라는 점에서 신중한 해석이 요구된다.