Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

오늘날의 기계로는 도달할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 컴퓨터를 구축하려면 정보 저장 방식에 근본적인 변화가 필요합니다. 양자 세계에서 데이터의 기본 단위는 매우 취약합니다. 아주 미세한 열이나 전자기적 노이즈에도 쉽게 방해를 받아 계산이 붕괴됩니다. 신뢰할 수 있는 기계를 만들기 위해 과학자들은 이 정보를 지속적으로 점검하고 수정하기 위해 방대한 양의 추가 부품을 사용하지 않고도 보호할 수 있는 방법을 찾아내야 합니다. 유망한 접근 방식 중 하나는 데이터를 단일 입자가 아니라, 작은 전기 회로 안에 갇힌 빛 입자, 즉 광자의 집단적 행동에 인코딩하는 것입니다. 이 "캣 큐비트(cat qubit)"는 살아있으면서 동시에 죽어 있는 고양이가 등장하는 유명한 사고 실험에서 이름을 따왔습니다. 이 맥락에서 큐비트는 두 가지 뚜렷한 상태에 동시에 존재합니다. 이 설계의 천재성은 상태가 한 곳에서 다른 곳으로 우연히 뒤바뀌는 '비트 플립(bit-flip)'이라 불리는 한 종류의 오류에 자연스럽게 저항한다는 점에 있습니다. 그러나 이들은 두 상태 사이의 관계를 뒤섞어버리는 '위상 플립(phase-flip)'이라는 다른 유형의 오류에는 여전히 취약합니다. 과제는 첫 번째 오류에 대한 보호를 강화하면서도 두 번째 오류를 악화시키지 않는 것, 즉 그 균형을 맞추는 것이었으나 이는 달성하기 어려운 일이었습니다.

Alice & Bob의 연구진은 여러 프랑스 기관의 파트너들과 협력하여 이 균형을 자신들에게 훨씬 유리한 쪽으로 기울이는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 이 빛 기반 큐비트의 표준 설계를 가져와서, 사용하는 빛 상태의 모양에 특정한 변형을 가했습니다. 표준 큐비트의 두 상태를 수학적 공간에 떠 있는 두 개의 뚜렷하고 둥근 확률 구름이라고 상상해 보십시오. 새로운 설계에서 연구진은 이 구름들을 압착하여, 마치 초승달처럼 길쭉한 모양으로 늘려 놓았습니다. 기존 장비에 특정한 유형의 신호를 추가함으로써 달성한 이 단순한 기하학적 변화를 통해, 두 상태는 서로 혼동하기가 매우 어려울 정도로 훨씬 더 멀리 떨어지게 되었으며, 동시에 다른 유형의 오류에 대해서는 동일한 안정성을 유지했습니다.

실험 결과는 놀라웠습니다. 연구진은 큐비트가 실수로 상태를 뒤바꾸는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 표준적이고 변형되지 않은 버전의 큐비트에서는 약 138밀리초마다 오류가 발생했습니다. 새로운 압착된 "문 캣(moon cat)" 버전의 경우, 큐비트는 유사한 오류가 발생하기 전까지 22초 동안 상태를 유지했습니다. 이는 안정성이 160배 향상되었음을 의미합니다. 결정적으로, 이러한 엄청난 이득은 다른 유형의 오류에 대한 취약성을 높이는 대가를 치르지 않았습니다. 위상이 뒤섞이는 비율은 이전과 거의 동일하게 약 1.3마이크로초를 유지했습니다. 이는 연구진이 다른 유형의 방어력을 약화시키지 않으면서도 특정 실패 모드에 대해 큐비트를 훨씬 더 견고하게 만드는 데 성공했음을 의미합니다.

연구팀은 또한 이 새로운 큐비트가 작업을 수행할 때, 즉 컴퓨터가 정보를 처리하는 기본 연산인 논리 게이트(logic gate)를 실행할 때 얼마나 잘 작동하는지 테스트했습니다. 그들은 압착된 큐비트가 유휴 상태일 때 상태를 더 오래 유지할 뿐만 아니라, 이러한 연산을 더 빠른 속도와 정확도로 수행한다는 것을 발견했습니다. 게이트 연산은 더 빨라졌고, 계산 중 오류가 발생할 확률도 크게 감소했습니다. 연구진은 새로운 형태의 빛 상태가 이러한 빠른 움직임 중에 시스템이 안전 구역 밖으로 실수로 누출되는 것을 더 어렵게 만들어 오류를 더욱 줄여준다는 것을 관찰했습니다. 이러한 개선은 매우 두드러져서, 게이트 연산 중 비트 플립 오류가 발생할 전체 확률이 표준 설계와 비교했을 때 220배 감소했습니다.

이 발견이 특히 중요한 이유는 새로운 기계를 만들거나 회로의 물리적 배치를 변경할 필요가 없었다는 점입니다. 연구진은 이전 실험과 동일한 초전도 칩과 기본적인 구성 요소를 사용했습니다. 그들은 단지 압착 효과를 만들기 위해 기존 설정에 두 번째 제어 신호인 특정 펌프 주파수를 추가했을 뿐입니다. 이는 더 강력한 양자 컴퓨터로 가는 길이 항상 완전히 새로운 하드웨어를 발명하는 것이 아니라, 이미 시스템에 존재하는 정보를 더 잘 형성하는 방법을 찾는 것일 수도 있음을 시사합니다. 양자 상태의 모양을 정교하게 조정함으로써, 연구팀은 표준 설계로 가능했던 것보다 훨씬 더 높은 수준의 오류 보호를 밀어붙이는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다.

연구진은 압착 과정이 다른 유형의 오류 발생률을 아주 약간 증가시켰지만, 이 손실은 비트 플립에 대한 엄청난 안정성 이득에 비하면 무시할 수 있는 수준이라고 언급했습니다. 또한 그들은 시스템 내의 광자 수를 늘림에 따라 안정성 개선이 급격히 증가하며, 이는 표준적인 비압착 설계의 이론적 한계보다 훨씬 더 가파른 패턴을 따른다는 것을 관찰했습니다. 이는 시스템이 확장됨에 따라 이 기술의 이점이 훨씬 더 강력해질 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 양자 프로세서의 성능을 향상시키는 명확하고 실용적인 방법을 제공하며, 기계가 지속적인 수정 없이 복잡한 알고리즘을 실행할 수 있는 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅의 목표를 현실에 한 걸음 더 가깝게 만들었습니다.