IBM, 120큐비트 칩 두 개를 80cm 케이블로 연결해 99% 충실도 달성

IBM 연구진이 120큐비트 초전도 양자 프로세서 두 개를 각각 길이 80센티미터인 케이블 네 개로 연결하고, 두 칩 사이에서 평균 99.00퍼센트의 정확도로 양자 상태를 전송했습니다. 니리자 순다레산(Neereja Sundaresan) 등이 참여한 팀이 수행한 이 연구는 10월 21일 「Meter-scale quantum interconnects between large quantum processors」(대형 양자 프로세서 사이의 미터 규모 양자 연결)라는 제목의 arXiv 프리프린트로 공개되었으며, 아직 동료 심사를 거치지 않았습니다.

칩에 케이블이 필요한 이유

양자 컴퓨터는 큐비트에 정보를 저장합니다. 0 또는 1 중 하나인 일반 비트와 달리, 큐비트는 측정되기 전까지 둘이 결합된 상태에 있을 수 있습니다. 하나의 칩에 점점 더 많은 큐비트를 집적하기는 어려우므로, IBM은 각각 하나의 모듈인 여러 프로세서를 서로 연결하는 모듈식 접근법을 추구하고 있습니다. 이를 위해서는 연결이 깨지기 쉬운 양자 상태를 칩의 기준으로는 먼 거리까지 실어 날라야 하며, 기계에는 어느 두 모듈 사이에서든 동일한 연결이 많이 필요합니다.

연구팀은 이 연결을 장거리 결합기, 즉 L-coupler라고 부릅니다. 이번 연구에서는 네 개의 L-coupler가 각각 120큐비트를 가진 IBM Nighthawk R1 프로세서 두 개를 연결했습니다.

L-coupler의 구조

각 L-coupler는 주파수를 조절할 수 있는 두 개의 "L-큐비트", 초전도 RF-SQUID 회로 기반의 결합기 두 개, 그리고 80센티미터의 초전도 알루미늄 동축 케이블을 통해 프로세서 격자의 큐비트 두 개를 연결합니다. 케이블은 프로세서 표면에 수직으로 서 있어 더 조밀한 연결이 가능하며, 두 모듈이 이미 큐비트를 차갑게 유지하는 냉동기인 극저온 장치에 장착된 뒤 상온에서 이루어지는 인듐-인듐 압착 접합으로 칩에 부착됩니다. 연결의 모드는 약 5기가헤르츠 부근에 있으며 내부 품질 인자는 86만에서 109만으로, 에너지를 얼마나 적게 잃는지를 나타내는 척도입니다.

수치가 보여주는 것

• 네트워크 벤치마킹으로 측정한 연결을 통한 상태 전송은 평균 99.00퍼센트의 충실도에 이르렀습니다. 가장 좋은 연결은 99.29 ± 0.07퍼센트였습니다.
• 서로 다른 칩에 있는 큐비트 사이의 2큐비트 CZ 게이트는 평균 94.75퍼센트의 충실도로 작동했으며, 가장 좋은 연결은 96.42 ± 0.28퍼센트였습니다.
• 연구진은 이 게이트로 두 프로세서에 걸친 얽힘 상태를 만들었고, 인접한 두 L-coupler를 통한 동시 벨 쌍도 포함됩니다.

여기서 충실도란 의도한 양자 상태가 온전히 도착하는 비율이며, 100퍼센트는 완벽한 전송을 뜻합니다. 얽힘은 한 입자의 상태를 다른 입자 없이는 기술할 수 없는 입자 간의 양자적 연결입니다.

한계

ScienceAlert 보도에 따르면 케이블은 사용 중 에너지를 거의 잃지 않았고, 가열과 냉각을 세 차례 반복한 뒤에도 정상 작동했습니다. 연구진은 신호 품질에 영향을 준 자기 간섭도 관찰했으며, L-coupler가 실용화되기 전에는 효율을 더 개선해야 합니다. 저자들은 자신들이 아는 한 이것이 큐비트 수가 많은 초전도 프로세서 사이의 다채널 양자 연결을 처음으로 시연한 것이라고 적었습니다.

IBM은 2029년까지 오류 허용 양자 컴퓨터를 내놓는 것을 목표로 한다고 밝혔습니다. 더 많은 기술 기사는 기술 섹션에서 확인하세요.