First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

핵심

개요: 양자 컴퓨터의 "정적(Static)"에 귀 기울이기

매우 섬세하고 정교한 악기(초전도 큐비트)가 완벽하고 일정한 음을 연주해야 한다고 상상해 보세요. 이 악기는 너무나 민감해서, 먼지 한 톨만 내려앉거나 아주 작은 미풍만 불어도 즉시 음정이 변해버립니다.

과학자들은 이 악기들을 여러 개 모아 함께 연주하는 "양자 컴퓨터"를 만들고자 합니다. 하지만 문제가 있습니다. 바로 **노이즈(소음)**입니다. 구체적으로는 우주에서 오는 보이지 않는 입자(우주선)와 자연적인 배경 방사선(감마선)이 끊임없이 악기를 때려, 음이 "튀거나" 오류를 일으키게 만듭니다. 이러한 오류를 **전하 점프(charge jumps)**라고 부릅니다.

이 논문은 과학자 팀이 음악을 명확하게 들을 수 있을 만큼 소음을 줄이기 위해, 이 섬세한 악기를 아주 깊은 지하로 옮겨 실험한 내용에 관한 것입니다.

실험 내용: 깊은 지하로의 이동

1. 위치 (깊은 벙커)
과학자들은 실험 장치를 지표면의 실험실에서 페르미랩(Fermilab) 내의 암석 터널 속에 있는 지하 107미터(약 35층 높이) 깊이에 위치한 NEXUS 시설로 옮겼습니다.

• 비유: 지표면을 자동차(우주선)가 끊임없이 질주하는 번화한 고속도로라고 생각해보세요. 지하 시설은 깊은 벙커와 같습니다. 위의 두꺼운 암석은 안으로 들어오려는 "자동차"를 99% 이상 차단하는 거대한 방패 역할을 합니다.

2. 차폐 (납 담요)
지하에서도 일부 방사선은 통과합니다. 이를 더 자세히 테스트하기 위해, 연구진은 실험 장치 주변에 두꺼운 납으로 만든 움직이는 "담요"를 만들었습니다.

• 비유: 무거운 납 안감이 든 우비(Raincoat)를 입는다고 상상해 보세요. 옷을 입었을 때(차폐 닫힘)는 비(감마선)로부터 보호받습니다. 하지만 옷을 벗으면(차폐 열림) 비에 젖게 됩니다. 과학자들은 두 상황 모두에서 실제로 악기에 얼마나 많은 "비"가 내리고 있는지 확인하고 싶었습니다.

3. 측정 (전하 점프)
이 실험의 큐비트는 "일렉트로미터(electrometers)"로 설계되었습니다. 이는 전하를 무게로 재는 아주 작은 저울과 같습니다. 입자가 칩을 치면 미세한 전기적 폭발이 일어나며 "저울"이 튀게 됩니다.

• 비유: 트램펄린을 상상해 보세요. 누군가 뛰어내리면 튀어 오릅니다. 하지만 아주 작은 파리가 앉으면 거의 움직이지 않죠. 과학자들은 이 양자 트램펄린 위에서 발생하는 "튀어 오름(전하 점프)"을 관찰하고 있었습니다. 그들은 특히 상관된 점프(correlated jumps), 즉 두 개의 서로 다른 트램펄린이 정확히 동시에 튀어 오르는 순간을 찾고 있었습니다. 이는 양자 컴퓨터에 매우 좋지 않은데, 하나의 우주선이 두 곳을 동시에 타격하여 이중 오류를 일으켰음을 의미하기 때문입니다.

연구 결과

1. "비"가 가벼워졌지만, 예상만큼은 아니었다
납 차폐막을 닫았을 때, 전하 점프의 횟수가 줄어들었습니다.

• 결과: 점프 횟수는 약 2.7배 감소했습니다.
• 놀라운 점: 과학자들이 차폐막에 부딪히는 방사선을 측정한 결과, "비(감마선)" 자체는 실제로 20배나 줄어들어 있었습니다.
• 비유: 이는 95%의 비를 막아주는 우비를 썼는데, 실제로는 30% 정도만 덜 젖은 것과 같습니다. 이는 차폐막이 외부의 "비"는 잘 막아주었지만, 어딘가에 "누수"가 있다는 것을 과학자들에게 알려주었습니다. 즉, 납 차폐막이 막을 수 없는 **내부의 추가적인 노이즈원(excess source of noise)**이 기계 내부(아마도 냉장고 내부의 재료나 칩에 갇힌 전하 등)에 존재한다는 뜻입니다.

2. "고요한" 구역 (상관된 점프 없음)
가장 흥미로운 발견은 큐비트 사이의 거리를 관찰했을 때 나타났습니다.

• 설정: 연구진은 4개의 큐비트를 사용했습니다. 두 개는 매우 가까이 있었고(이웃처럼), 나머지 두 개는 멀리 떨어져 있었습니다(길 건너편에 사는 이웃처럼).
• 결과: 차폐막을 닫았을 때, 과학자들은 22시간 연속으로 실험을 진행했습니다. 그 전체 시간 동안, 멀리 떨어진(3mm 이상) 두 큐비트는 동시에 튀어 오른 적이 단 한 번도 없었습니다.
• 비유: 10피트 떨어져 서 있는 두 사람을 상상해 보세요. 만약 하늘에서 거대한 바위 하나가 떨어진다면 두 사람을 동시에 칠 수도 있습니다. 하지만 이 실험에서는 꼬박 하루 동안, 단 하나의 "바위"도 멀리 떨어진 두 큐비트를 동시에 타격할 만큼 크지 않았습니다. 그들은 오류가 컴퓨터의 먼 부분으로 퍼지지 않는 "고요한 구역"을 구현해 냈습니다.

결론

이 논문은 세 가지 주요 사항을 주장합니다:

1. 지하가 도움이 된다: 실험을 지하로 옮긴 것은 우주선에 의한 오류를 크게 줄여주었습니다.
2. 미스터리가 남아 있다: 깊은 지하에서 납 차폐막까지 사용했음에도 불구하고, 여로 예상보다 더 많은 노이즈가 존재합니다. 이는 외부의 문제가 아니라, 장비 내부의 무언가가 여전히 "정적(static)"을 일으키고 있습니다.
3. 거리가 중요하다: 연구진은 처음으로 큐비트 간의 간격을 충분히 띄우고(3mm 이상) 차폐를 잘 하면, "상관된 오류(하나의 실수가 연쇄적인 실수로 이어지는 현상)"를 장기간 동안 멈출 수 있다는 것을 증명했습니다.

논문이 주장하지 않은 것:
이 논문은 아직 문제를 해결할 수 있는 작동하는 양자 컴퓨터를 만들었다고 말하지 않습니다. 또한 이 문제가 모든 오류를 영원히 해결할 것이라고 주장하지도 않습니다. 이 논문은 엄밀히 말해 "정적(static)"을 측정하고, 깊은 지하에서 차폐를 통해 멀리 떨어진 큐비트들이 서로 간섭하지 않을 수준까지 정적을 낮출 수 있음을 보고하는 데 집중하고 있습니다.

기술 요약

기술 요약: 지하 시설 내 초전도 큐비트의 상관 전하 노이즈에 대한 첫 번째 측정

문제 정의
이온화 방사선은 초전도 큐비트의 결맞음 해제(decoherence) 및 상관 오차(correlated errors)를 유발하는 중요한 원인으로 점점 더 주목받고 있다. 기존 연구들은 이온화 방사선 플럭스(특히 우주선 뮤온 및 주변 감마선)와 큐비트 에너지 이완율($1/T_1$) 및 동시 다발적인 다중 큐비트 오차 사이의 상관관계를 입증한 바 있다. 이러한 상관 오차는 양자 오류 정정 표면 코드(surface code)의 효용성에 도전 과제를 제기한다. 지표면 실험실은 높은 우주선 뮤온 플럭스와 주변 감마선 방사선에 노출되어 있으나, 이러한 근원들이 큐비트 기판 내 전하 노이즈에 기여하는 구체적인 정도와 이를 완화할 수 있는 능력은 지표면 배경 방사선으로부터 격리된 상태에서 확인되어야 한다. 또한, 이온화 이벤트가 기판 내에서 전하 점프(charge jumps)를 유도하는 메커니즘(전자-정공 쌍 생성, 포논 확산, 전하 트래핑 등)은 나노초에서 수 일에 이르는 시간대에서 작동하므로, 노이즈 환경을 완전히 규명하기 위해서는 장기간의 모니터링이 필요하다.

방법론
저자들은 위스콘신주 매디슨의 지표면 실험실에서 이동 배치된 4-큐비트 약한 전하 민감성 트랜스몬 소자($E_J/E_C = 24$)를 사용하여 측정을 수행하였다. 이 소자는 페르미랩(Fermilab)의 북서부 실험 지하 부지(NEXUS)로 옮겨졌으며, 이곳은 107m 지하에 위치한다. 이 깊이는 해수면 대비 우주선 뮤온 플크스를 99% 이상 감소시키는 225m 수심에 해당하는 암석 덮개(rock overburden)를 제공한다.

실험 설정은 다음과 같다:

• 차폐 (Shielding): cryostat 내부의 환경 감마 방사선을 감쇄시키기 위해 극저온 페이로드 주위에 $4\pi$ 피복을 제공하는 모듈형 납 차폐체를 사용하였다.
• 극저온 기술 (Cryogenics): 입자 오염을 최소화하기 위해 클린룸 환경 내의 10.5 mK 기본 온도를 가진 희석 냉동기에서 장치를 운용하였다.
• 방사선 모니터링: 감마 플럭스와 스펙트럼을 독립적으로 측정하기 위해 동일한 cryostat 내의 큐비트 칩에서 18.7 cm 떨어진 곳에 전이 에지 센서(TES)가 장착된 $Li_2MoO_4$ (LMO) 결정 검출기를 배치하였다.
• 측정 프로토콜: 연구팀은 램지 토모그래피 시퀀스($X/2 - \text{Idle} - X/2$)를 사용하여 큐비트 아일랜드의 오프셋 전하($n_g$)를 들뜬 상태 확률($P_1$)로 매핑하였다. 전하 바이어스를 스캔하고 위상 진화를 분석함으로써, 연구진은 유도된 전하의 불연속적인 점프를 감지하였다.
• 데이터 분석: 롤링 $\chi^2$ 최소화 알고리즘을 사용하여 점프가 없는 스캔에서 유도된 템플릿에 토모그래피 스캔을 피팅하였다. 이 방법은 $0.1e \le |\Delta q| \le 0.5e$ 크기의 전하 점프를 식별하였다. 이 탐지 방법의 효율성은 시뮬레이션을 통해 70% 이상임이 검증되었다.

두 가지 주요 데이터 세트가 수집되었다:

1. 차폐 개방 (Shield Open, SO): 주변 감마 플럭스 조건.
2. 차폐 폐쇄 (Shield Closed, SC): 최소 감마 플럭스 조건 (납 차폐체 폐쇄).

주요 결과

• 전하 점프율: 4개 큐비트의 평균 전하 점프율은 Shield Open 구성에서 $0.51^{+0.05}_{-0.04}$ mHz로 측정되었으며, Shield Closed 구성에서는 $0.19^{+0.04}_{-0.03}$ mHz로 감소하였다.
• 감마 플럭스 상관관계: LMO 검출기는 차폐체가 닫혔을 때(에너지 $>150$ keV 기준) 감마 플럭스 감소 계수가 $20 \pm 1$임을 측정하였다. 그러나 전하 점프율은 2.7배만 감소하였다. 이러한 불일치는 저배경(low-background) SC 구성에서 전하 점프율이 외부 감마 플럭스에 의해 지배되지 않음을 나타낸다.
• 과잉 비율 (Excess Rate): 일정한 과잉 배경을 고려하여 SC 비율을 SO 비율에서 뺐을 때, 저자들은 감마 유도 점프율 $0.34^{+0.07}_{-0.06}$ mHz와 두 구성 모두에서 존재하는 과잉 비율 $0.17^{+0.04}_{-0.03}$ mHz를 계산하였다. 이 과잉치는 예상되는 뮤온 비율(약 $0.08$ mHz/cm$^2$) 및 주변 감마 플럭스 단독으로는 설명되지 않는다.
• 상관 노이즈 (Correlated Noise): 연구팀은 큐비트 쌍 사이의 상관 전하 점프를 측정하였다. 1 mm 미만(340 $\mu$m 및 640 $\mu$m)으로 떨어진 큐비트 쌍에서는 상관 점프가 관찰되었다. 그러나 3 mm 이상의 거리(구체적으로 3.18 mm에서 3.33 mm 사이)로 떨어진 큐비트 쌍에 대해서는, Shield Closed 구성에서 22시간 연속 운용 동안 **제로(0)**의 상관 전하 점프가 관찰되었다.
• 점프 크기: 탐지된 전하 점프는 $0.1e$에서 $0.5e$ 사이였다.

의의 및 주장
본 논문은 지하 환경에서 작동하는 전하 민감성 큐비트 칩에서 상관 전하 노이즈를 측정한 첫 번째 사례를 제시한다고 주장한다. 주요 의의는 지하 시설로 이동하는 것이 전하 버스트 이벤트(charge burst events)의 발생률을 유의미하게 낮춘다는 것을 입증했다는 점에 있으나, 이것이 뮤온 플럭스 감소만큼 극적으로 나타나지는 않았으며, 이는 다른 방사선원이나 내부 메커니즘이 존재함을 시사한다.

결정적으로, 저자들은 3 mm 이상 떨어져 있는 전하 민감성 큐비트에서 하루에 가까운 시간 동안 상관 전하 노이즈가 제거됨을 최초로 보고하였다. 이 발견은 결함 허용 양자 컴퓨팅(fault-tolerant quantum computing) 측면에서 매우 중요한데, 이는 저배경 환경에서 공간적 분리가 이온화 방사선에 의한 상관 오차를 효과적으로 완화할 수 있음을 시사하기 때문이다. 또한, 본 연구는 초전도 큐비트를 기초 물리학을 위한 입자 검출기로 활용하는 이해에 기여하며, 특정 방사선 유도 오차 메커니즘을 특성화할 필요성을 강조한다. 저자들은 차폐된 구성에서 관찰된 "과잉" 전하 버스트의 기원이 트랩된 전하의 이완, cryostat 재료와의 우주선 상호작용에 의한 이차 입자, 또는 비정상적인 국소 방사선원 등을 포함한 미해결 과제로 남아 있다고 언급하였다.