아이온큐, 세계 최초 2큐빗 정확도 99.99% 기록...오류 보정 임계점 달성

아이온큐가 세계 최초로 2큐빗 연산 정확도 99.99%를 달성했다. 이번 성과는 오류 보정 임계점을 넘어 실제로 안정적인 양자 연산을 구현할 수 있는 수준에 도달했다는 평가가 나온다.

22일 아이온큐는 '뫼머–쇠렌센 게이트의 부분공간 누설 오류 랜덤화 벤치마킹(Subspace Leakage Error Randomized Benchmarking of Mølmer–Sørensen Gates)'이라는 제목의 논문을 아카이브를 통해 공개했다.

이번 논문은 아이온큐가 수행한 실험에서 2큐빗 게이트의 정확도가 99.99%에 도달했음을 증명한다. 현재까지 보고된 전 세계 양자컴퓨터 중 가장 높은 수준이다.

아이온큐가 실험 결과를 통해 2큐빗 게이트의 정확도가 99.99% 수준으로 유지되고 있음을 공개했다(이미지=아이온큐)

게이트 충실도 99.99%는 1만 번의 연산 중 한 번만 오류가 발생한다는 의미다. 오늘날 고전 컴퓨터가 수행하는 수십억~수조 번 이상의 연산과 비교하면 아직 부족해 보일 수 있다. 그러나 양자컴퓨터에서는 이 수치가 사실상 결함 내성을 실현할 수 있는 임계점에 해당한다.

양자컴퓨터는 수백만 번 이상의 게이트 연산을 조합해 알고리즘을 실행하기 때문에 각 게이트의 미세한 오류가 누적되면 전체 계산이 무의미해질 수 있다. 따라서 물리적 큐빗의 오류율이 0.1% 이상이면 아무리 많은 오류 보정 코드를 적용해도 오히려 계산이 불안정해진다. 반대로 오류율이 0.01% 수준으로 낮아지면 보정 코드를 통해 논리적으로 완벽한 계산이 가능해진다는 설명이다.

이번 99.99% 정확도는 오류 보정 임계점을 넘어서며 실제로 안정적인 양자 연산을 구현할 수 있는 수준에 도달했다는 것을 의미한다. 이에 아이온큐는 단순한 정확도 개선이 아니라 양자컴퓨터가 실질적인 계산 효용성을 확보할 수 있는 문턱을 넘어섰다는 상징적 성취라고 밝혔다.

특히 이번 연구가 주목받는 이유는 냉각 과정 때문이다. 일반적으로 이온 트랩 방식의 양자컴퓨터는 연산을 할 때마다 큐빗을 절대영도에 가까운 온도로 식혀야 한다. 이 과정을 ‘지상상태 냉각’이라고 부른다. 이는 연산 과정의 대부분을 차지할 만큼 시간이 오래 걸려 계산보다 ‘냉각 대기 시간’이 더 길어지는 상황이 발생한다.

아이온큐는 기존 초저온 환경보다 높은 온도에서도 2큐빗 게이트 정확도 99.99%를 달성하는 데 성공했다고 밝혔다(이미지=아이온큐)

아이온큐는 도플러 한계(Doppler limit)라는 물리적 경계 위의 온도에서도 높은 정확도를 유지했다. 도플러 한계란 레이저를 이용해 이온을 식힐 수 있는 가장 낮은 온도로 그 이하로 식히려면 매우 복잡한 장비와 시간이 필요하다.

아이온큐는 굳이 그 한계 아래로 냉각하지 않고도 높은 정확도를 얻는 방법을 찾아낸 것이다. 이를 위한 핵심은 전자 제어 기술이다. 최근 인수한 영국의 옥스퍼드 아이오닉스가 개발한 ‘전자식 큐빗 제어’ 기술을 발전시켜 온도가 약간 높아져도 연산 정확도가 떨어지지 않도록 했다.

기존에는 큐빗의 움직임과 회전이 서로 간섭하면서 ‘스핀-운동 얽힘’이라는 미세한 잡음이 생겼다. 아이온큐 연구진은 이 간섭을 줄이는 새로운 위상 제어 방식을 도입해 온도가 조금 높아도 동일한 연산 결과를 유지하도록 만들었다고 밝혔다.

연구진은 ‘뫼머–쇠렌센(Mølmer–Sørensen)’이라는 게이트 방식을 이용해 두 개의 큐빗이 서로 상호작용하도록 실험했다. 이 게이트는 이온 트랩 양자컴퓨터에서 가장 널리 사용되는 2큐빗 연산 방식이다. 실험 결과 약 500회에서 1천 회 이상 연속으로 연산을 수행해도 큐빗 상태가 90% 이상 유지됐으며 평균 오류율은 0.01% 이하로 측정됐다.

이 성과는 단순히 정확도를 높였다는 데서 그치지 않는다. 냉각에 소요되는 시간을 줄여 양자컴퓨터의 속도를 크게 향상시켰고 복잡한 냉각 장비가 필요 없어 시스템 설계가 단순해졌다. 그만큼 에너지 소비도 줄어들고 기존 초저온 환경이 아닌 상온에 가까운 조건에서도 운용이 가능해진다.