후지쯔·큐테크, 양자 오류 수정 임계값 충족…오류율 0.1% 미만 달성

초전도 큐비트 대비 100배 높은 온도에서도 양자 게이트 작동

후지쯔와 네덜란드 델프트 공과대학교 산하 양자기술 연구기관 큐테크(QuTech)가 공동 연구를 통해 양자 오류 수정의 임계값을 충족한 고정밀 양자 게이트를 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 초전도 큐비트보다 약 100배 높은 온도에서도 안정적으로 작동하는 다이아몬드 스핀 큐비트 기술이다. 양자 컴퓨팅의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

1일 후지쯔는 미국물리학회 학술지 피지컬 리뷰 어플라이드에 '다이아몬드의 스핀 큐비트를 위한 범용 고성능 양자 게이트'라는 논문이 게제됐다고 밝혔다.

다이아몬드 스핀 방식으로 구현한 정밀한 양자 게이트 연산 장면(이미지=후지쯔)

이번 연구는 양자 컴퓨터 상용화의 가장 높은 장벽인 연산 중 오류 문제를 실질적으로 제어할 수 있는 수준에 도달했다는 점에서 큰 의미를 지닌다. 특히 초전도 큐비트 대비 더 간단하고 경제적인 냉각 시스템에서 구동 가능한 큐비트 기술이 확보됨에 따라 양자 컴퓨터의 소형화, 모듈화, 상용화에도 탄력이 붙을 것이란 기대가 나오고 있다.

큐비트는 외부 환경에 민감해 오류가 자주 발생하기 때문에, 양자 컴퓨터에는 이를 보정할 수 있는 '양자 오류 수정(QEC)' 기술이 필수적으로 요구된다.

하지만 이 기술이 실질적으로 작동하기 위해선 양자 게이트의 오류율이 일정 임계값(threshold) 이하로 낮아야 한다. 학계에서는 일반적으로 1% 이하, 혹은 0.1~0.5% 수준을 임계점으로 제시하고 있다.

후지쯔와 큐테크는 0.1% 미만의 오류율, 즉 99.9% 이상의 정밀도(fidelity)를 달성한 범용 양자 게이트 세트를 구현했다고 논문을 통해 밝혔다. 이는 QEC 적용이 가능한 수준의 임계점을 충족한 것으로 실제 오류 수정이 가능한 양자 연산 구조를 구현할 수 있는 기반을 마련한 것으로 해석된다.

더불어 이번 연구에 사용된 다이아몬드 스핀 큐비트는 약 4켈빈(K) 수준의 온도에서 동작한다. 이는 일반적인 초전도 큐비트가 요구하는 0.04K 수준의 극저온에 비해 100배 높은 온도로 냉각 인프라 측면에서 큰 이점을 제공한다.

초전도 큐비트는 극도로 낮은 온도를 유지하기 위해 고가의 희석냉각기를 필요로 한다. 반면, 다이아몬드 큐비트는 액체 헬륨 냉각기 등 상대적으로 단순하고 비용 효율적인 시스템으로도 구현 가능하다.

또한 고온에서도 안정적으로 작동하는 특성은 저온 반도체 회로(cryo-CMOS) 등과 시스템 통합이 용이하다는 점에서 상용화 가능성을 더욱 높여준다.

후지쯔와 큐테크는 이번 기술을 바탕으로 큐비트 수를 확장하고, 멀리 떨어진 큐비트를 광자 기반으로 연결하는 광학 인터커넥트 기술을 개발하는 한편, 제어 회로를 통합한 프로토타입 양자 컴퓨터 개발에도 나설 예정이다.

후지쯔 퀀텀 랩의 사토 신타로 수석 부사장은 "이번 연구는 다이아몬드 스핀 기술이 실용적인 양자 컴퓨터로 이어질 수 있는 가능성을 보여주는 중요한 진전"이라고 밝혔다.

델프트 공대의 팀 타미니우 교수도 “99.9% 이상의 게이트 정확도는 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 실현하는 핵심 조건 중 하나"라고 평가했다.