MIT 연구진, 오류 내성 양자컴퓨터 개발에 획기적 진전 이뤄내다


인공 원자와 광자 간 새로운 유형의 결합 구현... 나노초 단위 양자 정보 판독 및 처리 가능성 열어


애덤 제위 | MIT 뉴스

게재일: 2025년 4월 30일



1ebec223e0dc2bae61ab96e746837170bd0203a3356c1f024a5a6629294d444ac080df72654c90d19a2b990a1ad7d62ddd841923d6



미래의 양자컴퓨터는 신소재 시뮬레이션을 신속하게 수행하거나 과학자들이 더 빠른 머신러닝 모델을 개발하는 데 도움을 주어, 수많은 새로운 가능성의 문을 열 수 있습니다.


하지만 이러한 응용은 양자컴퓨터가 극도로 빠르게 연산을 수행할 수 있을 때만 가능합니다. 그래야 과학자들이 누적되는 오류율로 인해 정확성과 신뢰성이 떨어지기 전에 측정을 수행하고 오류를 보정할 수 있기 때문입니다.


'판독(readout)'이라고 알려진 이 측정 과정의 효율성은 양자 정보를 전달하는 빛 입자인 광자(photon)와, 양자컴퓨터에서 정보를 저장하는 데 자주 사용되는 물질 단위인 인공 원자(artificial atom) 사이의 결합(coupling) 강도에 달려 있습니다.


이제 MIT 연구진은 양자 시스템에서 달성된 것 중 가장 강력하다고 평가되는 비선형 빛-물질 결합을 시연했습니다. 이 실험은 수 나노초(nanosecond, 10억 분의 1초) 내에 수행될 수 있는 양자 연산 및 판독 실현을 향한 중요한 단계입니다.


연구진은 새로운 초전도 회로 아키텍처를 사용하여 이전 시연보다 약 10배 더 강력한 비선형 빛-물질 결합을 보여주었으며, 이는 양자 프로세서의 실행 속도를 약 10배 더 빠르게 만들 수 있습니다.


이 아키텍처가 실제 양자컴퓨터에 사용되기까지는 아직 많은 연구가 필요하지만, 이 과정의 기초가 되는 물리학을 증명한 것 자체가 올바른 방향으로 나아가는 중요한 진전이라고 이번 연구의 제1 저자인 유펑 "브라이트" 예(Yufeng “Bright” Ye, SM ’20, PhD ’24)는 말합니다.


"이는 양자컴퓨팅의 핵심 병목 현상 중 하나를 실제로 제거할 수 있습니다. 일반적으로 오류 보정 단계를 거치는 중간에 계산 결과를 측정해야 합니다. 이번 연구는 우리가 오류 내성 양자컴퓨팅 단계에 얼마나 빨리 도달하고, 양자컴퓨터로부터 실제적인 응용과 가치를 얻을 수 있는지를 가속화할 수 있습니다."라고 예 박사는 덧붙였습니다.


이 논문에는 MIT 전자공학연구소(RLE)의 부교수이자 수석 연구원이며 전기공학 및 컴퓨터과학과(EECS)에서 양자결맞음전자기기그룹(Quantum Coherent Electronics Group)을 이끌고 있는 케빈 오브라이언(Kevin O’Brien) 교수가 교신저자로 참여했습니다. RLE 및/또는 MIT 링컨 연구소 소속의 다른 MIT 공동 저자로는 제레미 B. 클라인, 알렉 옌, 그레고리 커닝햄, 맥스 탄, 알리시아 장, 마이클 깅그라스, 베서니 M. 니에지엘스키, 해나 스티클러, 카일 세르니악, 몰리 E. 슈워츠가 있습니다. 이 연구 결과는 오늘 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재되었습니다.



새로운 커플러(결합기)


이번 물리적 시연은 오브라이언 교수 연구 그룹에서 수년간 진행된 이론 연구를 기반으로 합니다.


예 박사는 2019년 박사과정 학생으로 연구실에 합류한 후, 양자 정보 처리를 향상시키기 위한 특수 광자 검출기 개발을 시작했습니다.


그 과정에서 그는 큐비트(qubit) 간의 상호작용을 촉진하는 장치인 새로운 유형의 양자 커플러를 발명했습니다. 큐비트는 양자컴퓨터의 기본 구성 요소입니다. 이른바 '쿼튼 커플러(quarton coupler)'라고 불리는 이 장치는 양자 연산 및 판독에 매우 많은 잠재적 응용 가능성을 지녀 빠르게 연구실의 핵심 연구 주제가 되었습니다.


이 쿼튼 커플러는 대부분의 양자 알고리즘 실행에 필수적인 매우 강력한 비선형 결합을 생성할 잠재력을 가진 특별한 유형의 초전도 회로입니다. 연구진이 커플러에 더 많은 전류를 공급할수록 훨씬 더 강력한 비선형 상호작용을 만들어냅니다. 이런 의미에서 비선형성(nonlinearity)은 시스템이 각 부분의 합보다 더 큰 방식으로 작동하여 더 복잡한 속성을 나타내는 것을 의미합니다.


"양자컴퓨팅에서 유용한 상호작용의 대부분은 빛과 물질의 비선형 결합에서 비롯됩니다. 만약 더 다양한 유형의 결합을 얻고 결합 강도를 높일 수 있다면, 본질적으로 양자컴퓨터의 처리 속도를 높일 수 있습니다."라고 예 박사는 설명합니다.


양자 판독을 위해 연구진은 큐비트에 마이크로파 빛을 쪼입니다. 그러면 해당 큐비트가 0 상태인지 1 상태인지에 따라 연관된 판독 공진기(readout resonator)의 주파수가 변합니다. 연구진은 이 변화를 측정하여 큐비트의 상태를 결정합니다.


큐비트와 공진기 사이의 비선형 빛-물질 결합이 바로 이 측정 과정을 가능하게 합니다.


MIT 연구진은 칩 위에 있는 두 개의 초전도 큐비트에 쿼튼 커플러를 연결한 아키텍처를 설계했습니다. 그들은 큐비트 하나를 공진기로 만들고 다른 큐비트는 양자 정보를 저장하는 인공 원자로 사용합니다. 이 정보는 마이크로파 광자라고 불리는 빛 입자 형태로 전송됩니다.


"이러한 초전도 인공 원자와 신호를 전달하는 마이크로파 빛 사이의 상호작용이 기본적으로 전체 초전도 양자컴퓨터가 구축되는 방식입니다."라고 예 박사는 설명합니다.



더 빠른 판독 가능


쿼튼 커플러는 큐비트와 공진기 사이에 연구자들이 이전에 달성했던 것보다 약 10배 더 강력한 비선형 빛-물질 결합을 생성합니다. 이는 초고속 판독이 가능한 양자 시스템을 가능하게 할 수 있습니다.


"이 연구가 이야기의 끝은 아닙니다. 이것은 기초 물리학의 증명이지만, 현재 그룹 내에서는 정말로 빠른 판독을 실현하기 위한 연구가 진행 중입니다."라고 오브라이언 교수는 말합니다.


여기에는 필터와 같은 추가적인 전자 부품을 추가하여 더 큰 양자 시스템에 통합될 수 있는 판독 회로를 만드는 작업이 포함될 것입니다.


연구진은 또한 양자 연산에 중요한 또 다른 유형의 큐비트 상호작용인 극도로 강력한 물질-물질 결합(matter-matter coupling)도 시연했습니다. 이 역시 향후 연구를 통해 탐구할 계획인 분야입니다.


빠른 연산과 판독은 큐비트가 유한한 수명, 즉 결맞음 시간(coherence time)이라는 개념을 가지고 있기 때문에 양자컴퓨터에 특히 중요합니다.


더 강력한 비선형 결합은 양자 프로세서가 더 빠르고 낮은 오류로 작동하게 하여, 큐비트가 동일한 시간 내에 더 많은 연산을 수행할 수 있게 합니다. 이는 큐비트가 수명 동안 더 많은 오류 보정 단계를 실행할 수 있음을 의미합니다.


"더 많은 오류 보정 단계를 거칠수록 결과의 오류는 더 낮아질 것입니다."라고 예 박사는 말합니다.


장기적으로 이 연구는 과학자들이 실용적인 대규모 양자 계산에 필수적인 오류 내성 양자컴퓨터를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다.


이 연구는 미 육군 연구소(Army Research Office), AWS 양자컴퓨팅 센터(AWS Center for Quantum Computing), MIT 양자공학 센터(MIT Center for Quantum Engineering) 등의 지원을 받아 수행되었습니다.



원문 링크