이도영 기자 | IQM 퀀텀 컴퓨터스(Quantum Computers), 알토 대학(Aalto University) 및 핀란드 VTT 기술 연구 센터 과학자팀이 양자 계산의 정확도를 높이는 새로운 초전도 큐비트 유형인 유니몬(unimon)을 발견했다.

연구팀은 99.9%의 신뢰도에서 유니몬을 사용해 최초의 양자 논리 게이트를 구현했으며 상용화 가능한 양자 컴퓨터를 구축하는 여정에서 유의미한 이정표를 세웠다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.

초전도 큐비트는 유용한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 다양한 방식 중 가장 주도적인 유형이다. 그러나 현재 사용되는 큐비트 설계 및 기술은 아직 실제 애플리케이션에서 충분한 기능을 제공하지 못한다. 잡음이 많은 중간 규모 양자(NISQ) 시대에 구현 가능한 양자 계산의 복잡성은 대부분 단일 및 2큐비트 양자 게이트의 오류로 인해 대부분 제약받는다. 양자 계산이 유용하려면 더 정확해질 필요가 있다.

이번 연구를 주도한 미코 뫼퇴넌(Mikko Möttönen) 알토 대학 및 VTT 양자 기술 협력 교수이자 IQM퀀텀 컴퓨터스 공동 설립자 겸 최고과학자는 '우리의 목표는 현실 세계의 문제를 해결하는 데 이점을 가진 양자 컴퓨터를 구축하는 것이다. 이번 발표는 IQM의 중요한 이정표이며 더 나은 초전도 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 중요한 성과'라고 설명했다.

IQM은 새로운 초전도 큐비트 유형인 유니몬(unimon)을 도입했다. 이 유니몬은 비고조성 증가, DC 전하 잡음에 대한 완전한 둔감성, 자기 잡음에 대한 민감도 감소, 하나의 조셉슨 접합으로 이루어진 단순한 공진기 구조 등 원하는 특성을 단일 회로에 통합한다. 연구팀은 3개의 서로 다른 유니몬 큐비트에서 13나노초 길이의 단일 큐비트 게이트에 대해 99.8~99.9%의 신뢰도를 달성했다.

IQM에서 박사 과정을 밟고 있는 에릭 휘이페(Eric Hyyppä)는 '트랜스몬보다 더 높은 비조화성 또는 비선형성으로 유니몬을 더 빠르게 작동할 수 있어 작업당 오류가 더 적다'고 말했다.

과학자들은 유니몬을 실험적으로 시연하기 위해 각각 3개의 유니몬 큐비트로 구성된 칩을 설계하고 제작했다. 이들은 초전도 리드를 알루미늄으로 제작하는 조셉슨 접합과는 별도로 니오븀(niobium)을 초전도 물질로 사용했다.

교수는 또 '열정을 다해 이처럼 큰 성과를 얻은 에릭을 비롯한 여러 팀원에게 감사와 축하의 말을 전한다'고 덧붙였다.

연구팀은 유니몬 큐비트가 상대적으로 높은 비조화성을 갖고 있으면서도 초전도체 단일 조셉슨 접합만 필요로 하고 잡음을 막는 것으로 평가했다. 유니몬의 기하학적 인덕턴스(geometric inductance)는 기존의 플럭소늄(fluxonium) 또는 쿼톤(quarton) 큐비트의 접합 어레이 기반 초전도체보다 예측 가능성과 수율이 더 높을 것으로 보인다.

뫼퇴넌 교수는 '유니몬은 매우 간단하면서도 트랜스몬보다 많은 장점이 있다. 첫 유니몬이 이렇게 매끄럽게 작동했다는 사실은 최적화와 상당한 혁신을 이룰 가능성을 말해준다. 이제 더 강력한 잡음 보호를 위해 설계를 최적화하고 2-큐비트 게이트를 시연하는 과제를 앞두고 있다'고 말했다.

IQM의 상용 양자 컴퓨터는 여전히 트랜스몬 큐비트를 사용하고 있다. IQM은 이미 트랜스몬을 이용하는 온프레미스 양자 컴퓨터를 공급하고 있다. 일례로 IQM은 핀란드의 VTT 기술 연구 센터와 공동으로 추진하는 혁신 프로젝트로 핀란드 최초의 54큐비트 양자 컴퓨터를 구축하고 있으며 IQM이 주도하는 컨소시엄인 Q-Exa도 독일의 슈퍼컴퓨터에 통합될 20큐비트 양자 컴퓨터를 준비 중이다. 현재 새롭게 발명된 유니몬은 미래의 양자 계산에서 더 높은 정확도로 이어질 수 있는 대안적인 큐비트다.

뫼퇴넌 교수는 '우리는 잡음이 있는 시스템과 효율적인 양자 오류 수정 기능을 제공하는 유용한 양자 이점으로 99.99%의 신뢰도 목표를 갱신하기 위해 유니몬의 설계, 재료 및 게이트 시간을 더욱 개선하려고 한다. 이번 발표는 양자 컴퓨팅의 역사에서 매우 중요한 한 획을 그었다'고 부연했다.