고체 네온 위 전자 큐비트, 반도체 대비 노이즈 최대 1만 배 낮아

고체 네온 큐비트의 원리

이 플랫폼은 2022년 아르곤 연구소 나노재료센터(Center for Nanoscale Materials, CNM)에서 최초로 고안됐다. 네온 기체를 얼려 고체 상태로 만든 뒤, 전구 필라멘트에서 방출된 전자를 그 표면에 분사하고 전극을 이용해 단일 전자 하나를 표면 바로 위에 포획하는 구조다. 포획된 전자의 공간 내 운동이 큐비트의 0과 1 상태를 나타내며, 마이크로파 펄스를 송출하는 공진기(resonator)가 큐비트 상태를 제어하고 측정한다.

노이즈 특성 분석 결과

이번 연구의 핵심은 2024년 선행 연구에서 확인된 높은 성능의 원인을 체계적으로 규명한 것이다. 연구팀은 CNM에서 다양한 주파수 대역의 마이크로파 펄스 시퀀스를 활용해 플랫폼의 노이즈 환경을 정밀 분석했다. 측정 결과, 네온 큐비트의 노이즈 수준은 대부분의 반도체 큐비트 대비 10~1만 배 낮았으며, 반도체 큐비트 중 최우수 기록과도 대등한 수준이었다. 연구팀은 이른바 '스위트 스폿(sweet spot)'이라 불리는 특정 주파수 외부 영역까지 일부러 탐색해, 고체 네온 환경이 큐비트에 미치는 교란 특성을 타 재료와 비교했다.

낮은 노이즈의 물질적 근거

네온이 조용한 이유는 물질의 화학적 특성에 있다. 고체 네온은 화학적으로 비활성(inert)이고 불순물이 없어, 반도체나 초전도체 재료에서 흔히 발생하는 재료 결함, 내부 전하, 제조 공정 편차 등에서 비롯되는 노이즈를 원천적으로 줄일 수 있다. 아울러 전자가 전구 필라멘트로부터 쉽게 확보되는 만큼, 반도체·초전도체 큐비트 대비 제조 공정이 단순하고 비용도 낮다는 점도 장점으로 꼽힌다.

남은 과제와 후속 연구

성능이 우수하지만 한계도 존재한다. 연구팀은 미세하게 남아 있는 노이즈의 원인으로 의도치 않게 포획된 부유 전자(stray electrons)와 네온 표면의 불균일성을 지목했다. 연구 책임자인 Dafei Jin 노트르담대학교 부교수는 이를 줄이기 위한 후속 연구를 이미 시작했다고 밝혔다. 이번 연구에는 아르곤 연구소와 노트르담대 공동 주도 아래 시카고대학교, 하버드대학교, 노스이스턴대학교, 플로리다주립대학교(FSU) 등이 참여했다.

확장 가능성과 위치

0.1밀리초의 결어긋남 시간은 최고 성능의 초전도 큐비트와 경쟁할 수 있는 수준이다. 높은 게이트 충실도(gate fidelity)까지 확인된 만큼, 이 플랫폼은 오류율이 낮은 대규모 양자컴퓨팅 구현을 위한 유력 후보군에 합류하게 됐다. 다만 현재까지 단일 큐비트 수준의 특성 분석에 집중됐으며, 다중 큐비트 연결 및 집적화 등 실용화를 위한 추가 검증이 필요한 단계다.