IBM, 120큐비트 칩 2개를 초전도 양자 케이블 4개로 연결

IBM 연구진이 두 개의 120큐비트 프로세서 사이에 4채널 링크를 구현했으며, arXiv 사전논문에서 평균 상태 전송 충실도 99%를 보고했다.

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IBM 연구진은 두 개의 120큐비트 초전도 프로세서 사이에 4채널 양자 인터커넥트를 시연했다고 밝혔다. 이는 더 큰 단일 다이 1개가 아니라 여러 칩으로 구성된 모듈형 시스템으로 가기 위한 단계다. 10월 27일 arXiv에 게시된 연구에서 연구팀은 미터급 초전도 링크를 통한 평균 양자 상태 전송 충실도 99%와, 칩 간 게이트의 평균 충실도 94.75%를 보고했다. 이 연구는 사전논문이다.

발표 내용

사전논문에서 IBM은 극저온 시스템 내부에서 각각 120큐비트를 갖춘 두 개의 Nighthawk R1 프로세서를, 길이 약 80 centimeters의 알루미늄 동축 케이블 4개로 연결했다. 연구진은 이 링크를 사용해 양자 상태를 전송하고, 서로 다른 칩의 큐비트 사이에서 연산을 수행했으며, 두 프로세서에 걸친 얽힘을 생성했다.

회사는 이 결과를, 자사 파악으로는 대형 초전도 양자 프로세서들 사이에서 구현된 최초의 다중 채널 양자 인터커넥트 시연이라고 설명했다. 이 구성에는 240큐비트 전체가 동원되지는 않았다. 대신 연구팀은 개발 속도를 높이기 위해 인터커넥트 근처의 일부 큐비트만 배선하고 측정했다.

기술적 세부 사항

각 링크는 케이블 양끝에 전용 큐비트를 사용했으며, 조절 가능한 결합 소자가 해당 큐비트와 마이크로파 링크 사이의 상호작용을 제어했다. 연구진은 네트워크 벤치마킹을 통해 양방향 상태 전송 충실도를 측정했고, 4개 링크 모두 98.86%를 넘었다고 보고했다. 가장 성능이 좋은 링크는 99.29%를 기록했으며, 불확실도는 0.07 percentage points였다.

이후 연구팀은 이 연결을 이용해 서로 다른 프로세서의 계산용 큐비트 사이에 controlled-Z 게이트를 구현했다. 이러한 원격 게이트에는 상태 전송 2회, 로컬 2큐비트 게이트 3회, 그리고 추가적인 단일 큐비트 제어가 필요했다. 이 원격 게이트들의 평균 충실도는 94.75%였고, 최고값은 96.42%였으며, 불확실도는 0.28 percentage points였다.

IBM은 또한 두 칩에 걸쳐 분산된 얽힘 상태도 보고했다. 연구진은 인접한 링크를 통해 두 개의 얽힘 쌍을 동시에 생성했지만, 그중 한 쌍은 동시 동작 중 더 낮은 충실도를 보였다. 이어서 프로세서들에 걸친 4큐비트 및 6큐비트 얽힘 상태도 생성했다. 측정된 충실도는 4큐비트 상태에서 77.23%, 6큐비트 상태에서 67.67%였으며, 측정 오류에 대한 통계적 보정 후에는 각각 91.70%와 90.87%로 상승했다.

패키징과 신뢰성

이번 연구에서 주목할 만한 부분은 기계적·극저온 통합이다. 케이블은 칩 표면에 수직으로 부착됐는데, 연구진은 이 기하 구조가 기존의 평행 배치보다 더 높은 밀도의 인터커넥트 레이아웃에 적합하다고 설명했다. 부착에는 인듐-인듐 압력 본딩이 사용됐으며, 이는 프로세서 모듈을 크라이오스타트에 장착한 뒤 실온에서 형성됐다.

논문에 따르면 4개 링크는 모두 세 차례의 가열 및 냉각 사이클 동안 연결 조정 없이 작동 상태를 유지했다.

논문은 또한 냉각 과정의 자기장이 케이블 손실의 원인이라고 지목했다. IBM은 케이블 주변에 2층의 자기 차폐를 추가했지만, 연구진은 차폐 브레이드를 임시 조치라고 설명했다.

왜 중요한가

이 결과는 초전도 양자 컴퓨팅의 핵심적인 확장성 문제, 즉 유용한 계산에 필요한 양자 정보를 지나치게 잃지 않고 여러 프로세서를 연결할 수 있는지에 대한 답을 다룬다. 더 큰 시스템을 모듈로 구성하면 칩 크기, 배선, 패키징을 둘러싼 물리적 제약을 완화할 수 있다.

동시에 이 데이터는 기초적인 상태 전송과 완전한 분산 연산 사이에 아직 남아 있는 격차도 보여준다. IBM의 오류 모델은 상태 전송 오류의 약 77%가 케이블과 전용 큐비트의 제한된 코히런스, 특히 디페이징에서 비롯된다고 분석했다. 연구진은 실험을 가속하기 위해 큐비트 성능 향상에 도움이 되는 것으로 알려진 일부 제조 및 공정 단계를 의도적으로 생략했다고 밝혔다.

주목할 점

다음 시험대는 IBM이 작동하는 4개의 링크를 더 많은 수의 재현 가능하고 제조 가능한 연결로 확장하면서 충실도까지 높일 수 있느냐는 점이다. 논문은 또한 가능한 아키텍처 변화도 제시한다. 원격 게이트에 필요한 단계 수를 줄이기 위해 인터커넥트 요소를 프로세서 격자에 직접 통합하는 방식이다.

현재로서는 이번 연구는 완전한 모듈형 양자 컴퓨터라기보다 유망한 하위 시스템을 보여준다. 저자들의 표현대로, 앞으로의 과제는 오류 정정 계산에서 이러한 링크를 신뢰성 있게 반복 사용하도록 만드는 것이다.