율리히 연구팀, 6.8나노초·충실도 99.98% 이상의 트랜스몬 게이트 구현

율리히, 아헨, 쾰른의 연구진이 다광자 누설을 억제하는 펄스 기법으로 초고속 단일 큐비트 게이트를 구현했다고 Nature Communications에 보고했다.

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Forschungszentrum Jülich의 물리학자들은 RWTH 아헨 공대, 쾰른 대학교와 함께 초전도 큐비트에서 단일 큐비트 연산을 6.8나노초 만에 99.98% 이상의 정확도로 수행했다. Nature Communications에 Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal이라는 제목으로 실린 이 결과는 마이크로파 제어 펄스를 성형하는 새로운 방법에 기반한다. 율리히 보도자료에 따르면 초전도 장비에서 이런 연산은 보통 수십 나노초가 걸린다.

발표 내용

율리히의 Helmholtz Nano Facility에서 제작한 단일 트랜스몬 큐비트에서 두 개의 기본 게이트를 각각 6.8나노초 마이크로파 펄스로 구동했다. 연구소에 따르면 측정된 충실도는 99.981%와 99.989%였고, 큐비트가 더 높은 에너지 준위로 누설될 확률은 연산당 0.002% 미만이었다. Quantum Computing Report는 해당 게이트가 X와 X/2이며 충실도는 인터리브드 무작위 벤치마킹으로 측정됐다고 전했다. 이 연구는 율리히가 조정하는 독일 국가 컨소시엄 QSOLID의 일환으로 진행됐다.

기술적 세부 사항

큐비트는 짧은 시간 동안만 상태를 유지하므로 속도가 중요하다. 게이트가 빠를수록 오류 정정 사이클을 포함한 더 많은 연산을 그 시간 안에 넣을 수 있다. 하지만 짧은 펄스는 더 강해야 하고, 트랜스몬에는 계산에 쓰는 두 준위 위에도 에너지 준위가 있다. 율리히 연구팀은 강하고 빠른 펄스가 큐비트를 한 층만 더 올리는 것이 아니라 다광자 전이를 통해 두세 층 위로 밀어 올릴 수 있음을 발견했다. 보도자료에 따르면 이 효과는 그동안 간과돼 왔으며, 여러 계산 단계에 걸쳐 지속돼 오류 정정을 방해할 수 있다.

새 기법 R2D는 10년 넘게 쓰여 온 표준 펄스 보정 기법 DRAG를 발전시킨 것이다. 원하지 않는 전이를 일으키는 주파수 성분을 걸러 내도록 펄스를 성형하면서도 의도한 연산은 그대로 수행한다. 연구진에 따르면 R2D는 표준 기법보다 다광자 전이 확률을 20배 이상 낮춘다. QCR은 남은 게이트 오류가 제어 오류가 아니라 결어긋남에 의해 제한된다고 보도했다.

실험은 페터 그륀베르크 연구소 PGI-13의 Yuan Gao와 Rami Barends가 이끌었고, 이론은 PGI-8의 José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López, Felix Motzoi가 맡았다.

왜 중요한가

정확도를 잃지 않고 게이트를 빠르게 하면 큐비트가 결맞음을 잃기 전에 오류 정정 방식에 더 많은 여유가 생긴다. 누설된 상태는 표준 코드로 다루기 어렵기 때문에 누설 억제는 특히 가치가 크다.

주목할 점

연구진은 이 기법이 지금까지 고립된 단일 큐비트에서만 시험됐다고 강조한다. 크로스토크와 주파수 혼잡이 문제가 되는 더 큰 프로세서와 2큐비트 연산에서도 유효한지는 후속 실험으로 확인해야 한다.