quantum wave

• 저자 Hannah J. Manetsch, Gyohei Nomura, Elie Bataille, Xudong Lv, Kon H. Leung, Manuel Endres
• 저널 Nature
• 게재일 2025. 09. 24
• 카테고리 양자 컴퓨터
• DOI 10.1038/s41586-025-09641-4

대규모 양자 시스템을 향해서

날이 갈수록 빠르게 발전하고 있는 고전 컴퓨터를 넘어서 안정적으로 실용적인 양자 이득을 얻기 위해서는 결함 허용 양자 컴퓨팅이 필수적일 것으로 여겨지고 있다. 그러나 보다 효율적인 최신의 양자 오류 정정 코드를 이용할 때에도, 이득을 위해 필요한 적어도 100개 이상의 논리 큐비트의 인코딩을 위해서는 (물리) 큐비트 수를 수천 또는 수만 개 이상으로 현재 최고 수준의 게이트 신뢰도를 유지하면서 확장하여야 한다. 하지만 일반적으로 양자 시스템의 성능을 유지하면서 규모를 확대시키는 것은 쉽지 않다. 현재 가장 유망한 양자 플랫폼 중에 속하는 이온 포획 큐비트와 초전도 큐비트의 경우에도 비록 양자 큐레이션의 이전 두 글 (김준기 교수님: https://quantumwave.co.kr/curation/view/id/1, 권혁준 교수님: https://quantumwave.co.kr/curation/view/id/7)에서와 같이 대규모 시스템을 위한 로드맵을 제시하고 있기는 하지만, 현재로서는 최고의 성능을 유지하면서 늘린 시스템의 사이즈가 100 큐비트 급에 머물고 있다.

한편 중성 원자 플랫폼에서는 이름에서 강조되고 있듯이 전자 수와 핵전하 수가 같아서 전기적으로 중성인 원자 하나의 내부 상태에 큐비트를 인코딩한다. 고성능의 대물 렌즈로 레이저를 집속하여 형성한 광집게 마다 하나의 원자를 포획하여 큐비트 배열을 2차원 또는 3차원 공간 상에 자유롭게 형성시킬 수 있는데, 전기적으로 중성이기 때문에 원자들끼리 거의 독립적이어서 이상적으로는 포획 레이저의 파워만 증가시키면 시스템 규모를 성능을 유지하면서 선형적으로 증가시킬 수 있다. 이 연구에서는 이러한 생각을 실제로 실험으로 구현하여 마찬가지로 100 큐비트 급에 머물고 있던 중성 원자 시스템의 사이즈를 수천 큐비트 급으로 확장했다. 기본적인 발판이 되는 여러 성능 지표에서도 최고 기록을 세우면서 말이다.

대규모 원자 실험의 필요 조건: 매우 좋은 진공

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그림 1. 12,000개의 광집게에 무작위로 로딩된 6,100 원자 배열의 (a) 단일 촬영, 그리고 (b) 평균 이미지. (c) 광집게 및 이미징 장치의 개략도. (d) 원자 로딩 확률 히스토그램. (e) 달성한 주요 성능 지표 (출처: H. J. Manetsch et al., Nature 647, 60 (2025).)

앞서 시스템의 확장성에서 중성 원자가 갖는 장점에 대해서 설명했다. 그러나 전기적으로 중성인 점이 장점만 주는 것은 아니다. 고체 상태의 칩으로 존재하는 초전도 칩이나 전하를 가진 이온 상태의 원자와는 달리 중성 원자는 상대적으로 강하게 포획해서 고정시켜 놓기가 어렵다. 보통 광집게의 깊이가 온도로 표현하면 mK 이하 수준인데, 이 말은 상온뿐 만 아니라 저온 냉동기 안에서도 주위의 공기 분자가 원자와 충돌하면 포획에서 벗어나서 원자가 날아가버리는 손실이 일어난다는 것이다. 특히나 시스템 사이즈가 커질수록 같은 손실률에 대해 손실되는 원자 수가 커지기 때문에 매우 좋은 진공을 만들어서 이를 줄여주는 것이 중요하다. 이 연구에서는 상온에서 동작하는 진공 챔버를 세심하게 설계하여 보통 원자 실험에서 요구되는 초고진공 (Ultra high vacuum) 중에서도 거의 극고진공 (Extreme high vacuum)에 근접한 수준을 만들어내어 약 23분의 원자 포획 시간을 달성했다. 이는 상온에서는 최고 기록이고, 이전에 다른 그룹에서 광학적인 접근이 훨씬 제한되는 4 K 온도의 냉동기를 사용하여 얻었던 100분과 비교해서도 몇 배 수준의 차이로 따라잡았다. 이러한 긴 포획 수명은 원자의 이미징 (측정) 시에 기술적인 이유로 편광 경사 냉각 (Polarization gradient cooling)을 2차원으로 밖에 사용할 수가 없어서 상대적으로 긴 80 ms 측정 시간을 필요했음에도 불구하고 신뢰도 (fidelity)에서 99.99374(8)%, 생존 확률에서 99.98952(1)%로 모든 원소를 통틀어서 최고의 성능을 달성하는 발판이 되었다. 이는 그림 1의 a와 같이 무작위 로딩된 6,100 원자 들을 이미징하고 재배열하여 원하는 모양의 큐비트 배열을 만드는 데에 충분한 성능이다.

양자 연산의 바탕, 긴 양자 결맞음 시간

높은 신뢰도의 양자 연산을 하기 위해서는 중첩된 양자 상태를 유지할 수 있는 긴 양자 결맞음 시간이 바탕이 된다. 중성 원자 간의 작은 상호작용은 이에 거의 영향을 주지 않기 때문에 결국 광집게를 포함한 주변 전자기장 환경을 균일화 및 안정화하고 원자를 충분히 낮은 온도로 냉각해주는 것이 관건이다. 이 연구에서는 기존의 공간 광 변조기 (Spatial light modulator, SLM)를 이용한 광집게 형성과 피드백을 통한 균일화가 큰 사이즈 시스템을 커버하는 1 mm의 넓은 시야각에서도 충분히 잘 작동함을 보여주었고, 14.0(1) ms의 를 달성하였다. 동적 디커플링 (Dynamical decoupling)을 하여 최대로 가질 수 있는 양자 결맞음 시간을 측정한 결과 가 12.6(1) 초로 일반 광집게 안에 포획된 알칼리 (1전자) 원자 중에서는 최고 기록을 보여주었다. 이러한 는 비교적 최근에 대두된 알칼리 토금속 계열 (2 전자) 원자나 확장이 상대적으로 어려운 특별하게 설계된 광트랩에도 견줄 만한 성능이다. 긴 양자 결맞음 시간은 99.9834(2)%의 단일 큐비트 게이트를 달성하는 바탕이 되었고, 결맞음 시간 자체는 99.999% 이상도 가능한 수치이기 때문에 앞으로의 발전이 기대된다.

임의의 큐비트 간 연결성을 위한 긴 거리 결맞은 수송

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그림 2. 구역 기반 아키텍처의 예시 (출처: H. J. Manetsch et al., Nature 647, 60 (2025).)

임의의 양자 컴퓨팅에서는 큐비트 간의 상호작용을 이용한 다큐비트 게이트가 필수적이고, 이러한 연결성을 얼마나 자유롭게 가져갈 수 있느냐가 효율적인 컴퓨팅에서 매우 중요하다 (예를 들어 먼 거리 상호작용을 이용한 qLDPC 코드를 소개한 권혁준 교수님의 이전 양자 큐레이션 https://quantumwave.co.kr/curation/view/id/7 참고). 그림 2와 같이 중성 원자 큐비트에서는 결맞은 수송을 이용해서 원하는 원자들을 임의로 골라 상호작용 구역으로 보내고 리드버그 (Rydberg) 상태로 만들어 줌으로써 임의의 연결성을 만들어 줄 수 있는 방법이 존재하고 이를 구역 기반 아키텍처 (Zone-based architecture)라고 부른다. 시스템의 사이즈가 커진 만큼 이를 위한 결맞은 수송을 500 마이크론 이상의 긴 거리에서도 구현할 수 있어야 이를 실현할 수 있다. 이 연구에서는 지금까지 구현된 것 중에 최대 거리인 610 μm 수송을 1.6 ms의 시간 안에 99.953(2)%의 높은 신뢰도로 성공하였고, 이에 대한 기술적인 제한 요인을 분석하여 더욱 발전할 가능성을 보여주었다. 또 넓은 시야각에 걸쳐서 고정된 SLM 기반 광집게에 잡혀 있는 원자들을 수송을 위한 음향 광 편향기 (Acousto-optic deflector, AOD) 기반 광집게로 옮기는 과정도 광학 수차 등에서 비롯된 어려움에도 99.81(3)%로 가능함을 보여주었다. 또한 이 두 가지 과정을 결합하여 AOD 광집게로 옮기고 수송하는 전체 과정을 기계 학습을 이용해 최적화할 경우 더 좋은 성능을 보일 수 있을 것이라는 단서도 제시하였다. 앞으로 이를 통해서 수천 큐비트 스케일에서 양자 회로 연산이 성공할 수 있기를 기대한다.

연구 그룹 소개 및 연구 전망

연구를 수행한 Caltech의 연구팀은 AOD 기반 원자 재배열을 처음으로 발표한 사람들 중 한명인 Manuel Endres 교수가 이끄는 그룹으로, 임용 후 JILA와 독립적으로 최초의 2전자 원자 (스트론튬) 기반 광집게 배열을 구현하여 관련 연구를 선도하고 있다. 본 연구는 보다 확장성에서 유리한 것으로 보이는 1 전자 원자로 돌아와서 장치를 새롭게 빌딩하면서 이루어졌는데, 고출력 레이저가 가능한 IR 파장에서 가장 포획 효율이 좋은 세슘 원자를 사용한 것이 특징이다. 현재 6,100 큐비트로 제한된 것이 레이저의 출력 부족이 아닌 대물렌즈의 레이저에 의한 가열에서 왔기 때문에 이를 해결하면 근시일 내에 비슷한 방법으로 수만 큐비트 스케일까지도 확장이 가능할 것으로 기대된다.

국내에서는 KAIST에서 AOD 기반 방법과 독립적으로 SLM 기반 원자 재배열을 처음 제시하여 3차원에서 수십 큐비트 배열 실험을 성공하였고, 무작위 배열의 경우 100 큐비트 급에서도 양자 단열 연산을 보여주었다. 2전자 원자의 경우 KRISS에서 이터븀을 이용해 100 큐비트 급에서 무작위 배열 형성을 성공하였으며, 광집게 내의 이터븀에 대해서 처음 99.9% 이상의 측정 신뢰도 및 생존 확률을 달성하여 더 큰 시스템으로의 확장을 위한 기반을 마련하였다. 이외에도 POSTECH, 고려대, 서울대, 한양대에서 관련된 연구가 진행되고 있다.