MS, 양자컴퓨터용 단일 페리티 측정 기술 개발…오차율 1%대 달성

Interferometric single-shot parity measurement in InAs–Al hybrid devices

마이크로소프트 애저 퀀텀(Microsoft Azure Quantum) 연구팀이 양자컴퓨터 핵심 기술로 꼽히는 단일 페리티(짝수·홀수 상태) 측정 방식의 정밀도를 크게 끌어올리는 데 성공했다. 이번 연구에서는 전자의 홀짝 상태를 한 번에 구분하는 과정에서 발생하는 오차율을 1% 수준으로 낮춰, 대규모 양자비트를 다루는 실용적 양자컴퓨터 구현에 한 걸음 더 다가섰다는 평가를 받는다.

혁신적인 3중 양자점 간섭계 설계

연구팀은 인듐비소(InAs)-알루미늄(Al) 하이브리드 소자를 활용해 초전도 특성을 지닌 나노와이어를 제작하고, 여기에 세 개의 양자점을 배치해 삼중 양자점 간섭계(TQDI)를 구성했다. 나노와이어는 전압 게이트를 통해 양자점 특성을 바꿀 수 있는데, 이때 ‘양자 커패시턴스(양자점이 전자를 얼마나 저장할 수 있는지 나타내는 값)’ 변화를 확인함으로써 페리티(홀수냐 짝수냐)를 판별할 수 있다. 특히 길이가 약 3μm에 달하는 특정 세그먼트를 1DTS(원자 한 줄로 형성된 상태) 형태로 조정하고, 다른 부분은 완전히 전자가 없는 상태로 만들면서 양자점 간 상호작용을 정밀하게 제어할 수 있도록 설계했다.

RF 기반 양자점-MZM 튜닝 프로토콜 개발

측정 정확도를 높이기 위해 연구팀은 고주파(RF) 신호를 이용한 튜닝 프로토콜을 마련했다. 이는 삼중 양자점 중 하나를 다른 두 양자점과 약간 다르게 세팅(디튜닝)해, 원치 않는 간섭을 최소화하는 방식이다. 이렇게 얻은 측정 데이터를 시뮬레이션과 비교함으로써 양자점 간 결합 세기(마이크로전자볼트 단위)를 미세하게 조정할 수 있게 됐다. 이를 통해 마요라나 제로모드(MZM)처럼 위상학적으로 중요한 상태를 더 정교하게 다룰 수 있는 기반을 마련했다.

15,000회 연속 측정으로 입증한 정밀도

연구팀은 약 1만5,000번의 연속 측정을 4.5마이크로초 간격으로 수행해, 총 67밀리초 동안의 데이터를 쌓았다. 자기장 B∥≈1.8T, 게이트 전압 VWP1≈-1.832V 조건에서 실험을 진행한 결과, 최적 조건에서 불과 3.6마이크로초 만에 신호 대 잡음비(SNR) 1을 달성했다. 또한 자기장을 2테슬라 정도로 설정했을 때는 전자가 양자점 내부에 머무르는 체류 시간(1밀리초 이상)이 늘어나, 장기간 안정적으로 양자 상태를 유지할 가능성을 확인했다.

SNR 5.01 달성한 고정밀 측정

좀 더 긴 측정 시간(90마이크로초) 창을 확보했을 때는 SNR이 5.01에 달해 전자의 홀짝 상태를 더욱 선명하게 구분할 수 있었다. 이로써 ‘할당 오차 확률’을 1% 이하로 낮추는 데 성공했다. 페리티를 판별하는 과정에서 전자가 튀는 간격은 대략 2밀리초(ms) 정도로 분포했으며, 이는 연구팀이 제안한 새로운 측정 기법이 오랜 시간 동안 안정적으로 작동한다는 사실을 뒷받침한다.

양자 역학 시뮬레이션을 통한 이론적 검증

실험 결과는 전하 노이즈, 온도, RF 구동 전력 등을 포괄하는 양자 역학 시뮬레이션으로 재현됐다. 시뮬레이션에서는 와이어가 위상학적 상태를 띠고 MZM 이외의 갭 내 상태가 없다고 가정했으며, 양자점의 충전 에너지와 레벨 간격이 온도보다 훨씬 크다고 전제했다. 이에 따르면 tL ≈ tR(왼쪽·오른쪽 마요라나 제로모드와 양자점의 결합 세기)가 균형을 이룰 때 최대 1펨토패럿(fF)의 양자 커패시턴스 변화를 예측할 수 있으며, 이는 실험 결과와 잘 들어맞았다.

실용적 양자컴퓨터 구현을 향한 진전

측정 기반 위상학적 양자 컴퓨팅 분야에서, 마요라나 제로모드(MZM)의 페리티를 단일 측정으로 구분해내는 기술은 수백만 개에 달하는 큐비트를 안정적으로 운용해야 하는 대규모 양자컴퓨터 구현에 필수적이다. 이번 연구는 지역적 잡음에 강인한 ‘위상학적 보호 상태’를 활용해 오류를 크게 줄이고, 기존보다 단순화된 측정 방법만으로도 복잡한 연산을 수행할 수 있다는 점을 입증했다. 이에 따라 향후 오류 정정과 큐비트 제어가 한층 쉬워질 것으로 기대된다.

‘위상학적 상태’ 한계와 향후 과제

다만 연구팀은 아직 ‘위상학적 상태’가 존재한다는 사실을 명확히 증명한 것은 아니며, 숨겨진 마요라나 모드와 가시적인 MZM 사이에 매우 미세한 결합이 존재하면 특정 조건에서 간섭 효과가 사라질 수 있다고 지적했다. 또한 숨겨진 마요라나 모드가 충분히 에너지가 높은 상태로 밀려나 있지 않으면, 자속(자기 선속)에 따른 주기적 진동이 왜곡될 가능성도 확인했다. 이런 점들은 향후 연구에서 보다 정밀한 측정 및 검증이 필요한 과제로 남아 있다.

검증 및 타당성 입증

연구팀은 결과의 신뢰도를 높이기 위해 추가 실험을 병행했다. 첫째, 양자점들을 와이어에서 완전히 분리해 측정했고, 둘째, 이른바 ‘탑올로지 전이’(TGP)가 관측되는 자기장보다 0.8T 낮은 범위에서도 데이터를 수집했다. 또 의도적으로 초전도체 내부에 준입자를 주입해 전자 체류 시간(τRTS)에 미치는 영향을 살폈다. 그 결과 다양한 조건에서도, 약 2밀리초(ms)에 달하는 전하 재분포 시간이 일관되게 측정됐다. 이는 이번 연구에서 제시된 단일 페리티 측정 기술이 매우 안정적으로 동작한다는 점을 뒷받침해준다.

이처럼 마이크로소프트 애저 퀀텀 연구팀의 성과는 양자컴퓨터 분야에서 이정표적인 기술로 주목받고 있다. 향후 보다 정교한 위상학적 상태 검증과 다양한 오류 정정 기법이 적용되면, 궁극적으로 수많은 양자비트를 안정적으로 운용할 수 있는 대규모 양자컴퓨터 실용화가 한층 현실에 가까워질 전망이다.

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기사는 클로드 3.5 Sonnet과 챗GPT를 활용해 작성되었습니다. 

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