6.8나노초 만에 양자 연산…정확도 99.98% 신기록

독일 연구진이 6.8나노초(ns) 만에 양자 비트(큐비트) 연산을 수행하며 양자 게이트 속도 신기록을 세웠다.

26일(현지시간) 독일 율리히 연구소, 아헨, 쾰른 공동 연구팀은 큐비트에 대한 양자 연산을 6.8나노초 만에 99.98% 이상의 정확도로 수행했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.

양자컴퓨팅에서 연산 속도는 핵심 요소다. 큐비트는 양자 상태를 제한된 시간 동안만 유지하기 때문에, 개별 연산이 빠를수록 더 많은 연산을 수행할 수 있다.

하지만 연산에 사용하는 마이크로파 펄스를 짧게 만들수록 강도는 세져야 한다. 이 과정에서 큐비트가 의도치 않게 더 높은 에너지 준위로 전이되는 원치 않는 여기(excitation) 현상이 발생할 위험이 커진다.

연구팀은 강하고 빠른 마이크로파 펄스가 '다광자 전이'를 일으켜 큐비트를 의도한 것보다 두세 단계 더 높은 에너지 상태로 만들 수 있다는 점을 발견했다. 이 현상은 여러 계산 단계에 걸쳐 지속되며 양자 오류 수정을 방해할 수 있다.

이에 연구팀은 원치 않는 전이를 억제하는 'R2D'라는 새로운 방법을 개발했다. 이 방법은 제어 펄스를 정밀하게 조절해 특정 주파수 성분을 억제, 원하는 연산만 수행하고 높은 에너지 상태로의 전이는 최소화한다.

새로운 방법은 기존 표준 기술인 'DRAG' 방식을 기반으로 하며, 원치 않는 다광자 전이 확률을 20배 이상 줄였다.

연구팀은 6.8나노초 길이의 마이크로파 펄스를 사용해 두 가지 기본 양자 연산을 수행했으며, 각각 99.981%와 99.989%의 정확도를 측정했다. 큐비트가 원치 않는 높은 에너지 상태로 전이될 확률은 연산당 0.002% 미만으로 유지됐다.

다만 이번 실험은 단일 큐비트에서만 테스트됐다. 연구팀은 향후 더 큰 양자 프로세서나 두 개의 큐비트가 포함된 연산에서도 동일한 성능을 보이는지 추가 실험이 필요하다고 설명했다.