Rutgers와 IBM, 100개 큐비트 전반에 걸친 실시간 피드백 제어 발표

Rutgers, IBM 및 협력 기관 연구진은 156큐비트 Heron 칩을 사용해 최대 100개 큐비트에 걸친 반복 측정과 리셋을 시연했다.

이 페이지는 영어에서 번역되었습니다. 기업명, 제품명, 출처 링크는 변경되지 않았습니다. 영문 원문 보기

Rutgers, IBM 그리고 여러 협력 기관의 연구진은 프로세서가 계속 동작하는 동안 반복적인 측정과 리셋을 수행하며 최대 100개 큐비트에 걸친 실시간 양자 피드백을 시연했다고 밝혔다. 발표에 따르면 이번 연구는 156큐비트 IBM Quantum Heron 프로세서에서 수행됐으며, Nature Physics에 게재된 논문에서 자세히 다뤄졌다. 이 결과는 결함 허용 양자 컴퓨팅의 핵심 요건, 즉 계산을 멈추지 않고 시스템의 일부를 모니터링하고 반복적으로 개입할 수 있는 능력을 다룬다.

발표 내용

연구팀은 IBM의 Heron 하드웨어에서 최대 100개 큐비트로 연결된 체인을 사용해, 양자 프로세서가 두 가지 동작을 실시간으로 번갈아 수행할 수 있는지 시험했다고 밝혔다. 하나는 인접한 큐비트들 사이로 정보를 확산시키는 것이고, 다른 하나는 개별 큐비트를 측정한 뒤 리셋해 이러한 스크램블링을 억제하는 것이다.

보고서에 따르면 이번 실험에는 총 거의 5,000회의 2큐비트 연산과 거의 5,000회의 측정 및 리셋이 포함됐다. 연구진은 이를 이러한 유형의 피드백 기반 제어에 대한 현재까지 가장 큰 규모의 성공적인 시연이라고 설명했다.

수석 저자 중 한 명인 Rutgers 교수 Jedediah Pixley는 결함 허용에 도달하려면 계산 도중 이러한 점검과 수정이 여러 차례 수행돼야 한다고 말했다. IBM의 수석 저자 Maika Takita는 시스템 전체를 일시 정지하는 대신, 프로세서의 나머지 부분이 계속 동작하는 동안 측정을 반복하는 것이 과제였다고 밝혔다.

기술적 세부 사항

이번 실험은 두 과정 사이의 경쟁을 설정했다. 한 과정은 인접한 큐비트들 사이로 정보를 퍼뜨려 점점 더 혼돈적인 동역학을 만들어냈다. 다른 과정은 선택된 큐비트를 측정하고 리셋해, 연구진이 정한 질서 있는 상태로 시스템을 밀어 넣었다.

각 과정이 얼마나 자주 일어나는지를 조절한 결과, 연구팀은 임계값 거동을 관찰했다. 스크램블링이 절반이 넘는 시간 동안 일어나면 시스템은 혼돈 상태를 유지했다. 반대로 점검과 리셋이 우세하면 시스템은 제어 가능한 질서 상태로 이동했다. 두 과정의 비중이 비슷한 지점 근처에서는, 발생 비율의 작은 변화만으로도 시스템이 급격히 바뀌었다.

연구진에 따르면 이러한 급격한 변화는 상전이 그림과 부합한다. 즉, 양자 시스템이 집단적으로 혼돈에서 제어 상태로 전환된다는 것이다. 공동 제1저자 Haining Pan은 더 큰 시스템을 연구할수록 이 전이가 더 뚜렷하게 정의됐으며, 실험 데이터가 이론적 예측과 일치했다고 말했다.

보고서는 또한 이 결과가 오류 정정에 왜 중요한지도 짚는다. 양자 정보는 단순히 복사할 수 없고, 측정은 계산 중인 상태를 교란할 수 있다. 따라서 실용적인 결함 허용 기계는 부호화된 정보를 보존하면서 오류를 반복적으로 탐지하고 수정할 수 있어야 한다.

왜 중요한가

이번 발표는 이 결과를 물리학 시연이자 시스템 엔지니어링의 이정표로 규정한다. 물리학 측면에서는 반복적인 개입이 통제되지 않은 양자 동역학을 질서 있고 제어 가능한 상태로 바꾸는 전이를 유도할 수 있다는 이론적 예측을 뒷받침한다. 하드웨어 측면에서는 현재의 초전도 하드웨어가 대규모 장치 전반에서 양자 게이트, 측정, 리셋을 수천 차례 조정하며 수행할 수 있음을 보여준다.

그렇다고 결함 허용 양자 컴퓨팅이 이미 달성됐다는 뜻은 아니다. 보고서는 아직 누구도 결함 허용 양자 컴퓨터를 구축하지 못했다고 명시적으로 지적한다. 다만 대규모로 반복적인 측정-리셋 사이클을 수행할 수 있는 능력은 이런 시스템이 필요로 할 운용 요소 중 하나다.

주목할 점

다음 질문은 이런 기법이 통제된 물리 실험을 넘어, 완전한 오류 정정 프로토콜로 어떻게 이어질 수 있느냐다. 이번 연구는 IBM의 동적 회로 기능이 대규모 큐비트 부분집합에 대해 교차 배치된 긴 연산 시퀀스를 유지할 수 있음을 시사하며, 이는 향후 논리 큐비트 시연과 관련이 있다.

이번 협력에는 Rutgers, IBM, the City College of New York, the CUNY Graduate Center, Iowa State University, Ames National Laboratory, Pennsylvania State University, Louisiana State University의 연구진이 참여했다. 발표 내용에 따르면 이 프로세서는 연구팀이 기존 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있었던 약 24개 안팎의 큐비트보다 훨씬 큰 시스템을 연구할 수 있게 했다.