Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

양자 컴퓨터를 구축하려는 여정에서, 과학자들은 물질의 가장 작은 규모에서의 거동을 정복하기 위해 경주하고 있습니다. 이 과업을 위한 가장 유망한 도구 중 하나는 초전도 회로입니다. 이는 절대 영도에 가까운 온도로 냉각했을 때 저항 없이 전기를 전도하는 재료로 만들어진 아주 작은 전자 루프입니다. 이 회로들은 인공 원자 역할을 하며, 여러 구성 상태에 동시에 존재할 수 있는 양자 중첩 상태에 정보를 담을 수 있습니다. 이러한 회로를 유용하게 만들기 위해서, 연구자들은 마이크로파 펄스를 사용하여 상태를 뒤집고, 계산을 수행하며, 결과를 읽어내는 극도로 정밀한 제어를 할 수 있어야 합니다. 그러나 이러한 기계가 복잡해짐에 따라 지속적인 문제가 발생합니다. 즉, 회로를 제어하는 데 사용되는 바로 그 신호가 때때로 회로를 오작동하게 만들어, 원치 않는 상태로 점프하게 하고 보관하려는 정보를 잃게 만들 수 있다는 점입니다. 이 문제는 양자 기계가 얼마나 빠르고 정확하게 작동할 수 있는지를 제한하는 주요 병목 현상입니다.

예일 대학교의 한 연구팀은 이제 이러한 오작동이 정확히 어떻게, 그리고 왜 발생하는지를 밝혀냈습니다. 특정 유형의 초전도 회로인 트랜스몬(transmon)을 광범위한 마이크로파 주파수와 전력 수준에 노출시킴으로써, 그들은 원치 않는 상태 전이가 단 하나의 오류 때문이 아니라 세 가지 뚜렷한 물리적 메커니즘에 의해 발생한다는 것을 발견했습니다. 첫 번째 메커니즘은 마이크로파 구동이 회로를 주변 재료에 존재하는 보이지 않는 기생 결함과 우연히 공명하도록 튜닝하는 것과 관련이 있습니다. 두 번째는 회로 자체의 고유한 특성으로, 구동 신호가 시스템이 한 번에 여러 개의 광자를 흡수하도록 강제하여 원래 도달해서는 안 될 고에너지 상태로 밀어넣는 것입니다. 세 번째 메로커니즘은 산란의 한 형태로, 구동이 회로의 상태를 변화시키는 동시에 장치의 하우징 내부에 갇힌 미립자 전자기파로 과잉 에너지를 쏟아붓는 것입니다.

연구진은 위험한 지형을 지도화하는 지도 제작자처럼 이 문제에 접근했습니다. 그들은 회로를 알려진 상태로 준비시킨 다음, 주파수와 전력을 변화시키는 마이크로파 "펌프" 펄스를 쏘아대는 실험을 설정했습니다. 그런 다음 회로가 어디로 이동했는지를 측정했습니다. 약 2.8GHz에서 11.8GHz에 이르는 방대한 범위로 구동 주파수를 훑고 전력을 조절함으로써, 그들은 회로를 경로에서 벗어나게 할 수 있는 모든 가능한 방법을 보여주는 상세한 지도를 생성했습니다. 이 지도는 오류 확률이 급증하는 밝은 선과 흐릿한 패치 형태로 나타나는 복잡한 공명 지형을 드러냈습니다. 팀의 목표는 이러한 특징들을 세 가지 범주로 분류하여, 향후 설계가 이를 피할 수 있도록 각 근본 원인을 이해하는 것이었습니다.

연구진이 '공명 에너지 교환'이라고 식별한 첫 번째 유형의 문제는 다른 것들과 다르게 행동합니다. 이러한 전이는 마이크로파 구동의 특정 주파수에 의존하지 않고, 오히려 구동이 회로의 에너지 준위를 얼마나 변화시키는지에 달려 있습니다. 강한 마이크로파 신호가 가해지면 회로의 자연 주파수를 위나 아래로 밀어 올리는데, 이를 ac-스타크 효과(ac-Stark shift)라고 합니다. 만약 이 이동이 회로의 주파수를 재료 내의 작고 숨겨된 결함(흔히 2준위 계, two-level system이라 불림)과 일치하게 만들면, 회로는 갑자기 그 결함으로 에너지를 쏟아낼 수 있습니다. 연구진은 회로가 시간이 지남에 따라 어떻게 붕괴하는지를 관찰함으로써 이를 확인했습니다. 그들은 이러한 결함들이 정적인 것이 아니라, 몇 분 또는 몇 시간 동안 서로 다른 주파수 사이를 표류하고 전환되며 예측하기 어려운 타겟을 만든다는 것을 발견했습니다. 이 메커니즘은 에너지 손실의 주요 원인이며, 양자 정보가 얼마나 오래 생존할 수 있는지를 제한합니다.

두 번째 범주는 회로 자체의 설계에 내재된 전이들로 구성됩니다. 설령 장치가 외부 세계로부터 완벽하게 격리되어 있다 하더라도, 마이크로파 구동은 회로가 동시에 두 개 이상의 광자를 흡수하도록 강제할 수 있습니다. 회로는 비선형적(즉, 상태에 따라 반응이 변함)이기 때문에, 단 한 번의 사건에서 여러 개의 구동 광자를 삼킴으로써 기저 상태에서 훨씬 높은 비연산 상태로 직접 뛰어오를 수 있습니다. 연구자들은 양자 역학 법칙에 기반한 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 점프가 정확히 어디에서 일어날지 예측했습니다. 시뮬레이션은 실험 데이터와 놀라울 정도로 잘 일치했으며, 이는 이러한 전이가 회로의 물리적 특성에 내재된 현상임을 확인시켜 주었습니다. 연구진은 회로의 내부 전기적 전하가 시간이 지남에 따라 미세하게 표류하기 때문에 이러한 점프가 "흐릿하거나" 퍼지는 현상이 발생한다고 언급했습니다.

세 번째 범주는 회로가 장치의 물리적 구조에 의해 생성된 전자기 환경과 상호작作用하는 것과 관련이 있습니다. 마이크로파 구동이 회로에 부딪힐 때, 이는 산란을 일으켜 회로의 상태를 변화시키는 동시에 칩을 둘러싼 금속 하우징이나 패키지 내에 갇힌 미립자 전자기파를 들뜨게 할 수 있습니다. 이러한 미립자 파동은 숨겨진 공진기 역할을 하며, 만약 그 주파수가 산란 이벤트에 의해 생성된 에너지 차이와 일치하면 전이가 매우 높은 확률로 발생합니다. 연구진은 이러한 미립자 모드들이 회로 자체의 작동 주파수보다 훨씬 높은 주파수에서도 존재할 수 있으며, 심지어 28GHz에 달할 수도 있다는 것을 발견했습니다. 전체 장치 패키지에 대한 전자기 시뮬레이션을 실행함으로써, 그들은 특정 형태와 위치를 가진 이러한 미립자 모드들을 식별해 냈고, 이를 통해 물리적 배치가 오류를 만드는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

이 세 가지 원인을 구분하기 위해 팀은 체계적인 제거법을 개발했습니다. 만약 전이가 구동 주파수에 관계없이 나타나고 오직 전력 유도 이동에만 의존한다면, 그것은 재료 결함 때문인 것으로 간주되었습니다. 만약 전이가 격리된 회로에 대한 컴퓨터 시뮬레이션에서 나타난다면, 그것은 고유한 다광자 이벤트로 분류되었습니다. 회로만으로는 설명할 수 없는 나머지 모든 전이는 외부 환경을 포함하는 비탄성 산란 이벤트로 식별되었습니다. 이러한 분류를 통해 그들은 실험에서 관찰된 거의 모든 오류의 기원을 정확히 짚어낼 수 있었습니다. 그들은 일부 전이가 재료 결함의 예측 불가능한 행동에 의해 발생하지만, 관찰된 복잡한 패턴의 대부분은 회로와 전자기 환경 간의 상호작용을 시뮬레이션함으로써 예측될 수 있다는 것을 발견했습니다.

이 연구의 함의는 단일 실험을 넘어 확장됩니다. 연구진은 오류의 구체적인 메커니즘을 이해함으로써 엔지니어들이 이를 피하기 위한 정보에 입각한 선택을 할 수 있음을 입증했습니다. 예를 들어, 그들은 특정 구동 주파수가 원치 않는 전이를 유발하지 않고 회로를 제어할 수 있는 "윈도우(창)"를 제공하여 훨씬 안전하다는 것을 보여주었습니다. 또한 그들은 장치의 패키지 설계가 회로 설계만큼 중요하다는 점을 강조했는데, 금속 하우징이 회로의 작동을 방해하는 공진 모드를 품을 수 있기 때문입니다. 재료의 미시적 결함은 더 나은 제조 기술이 필요한 과제로 남아 있지만, 전자기 환경은 그 영향을 최소화하기 위해 설계되고 시뮬레이션될 수 있습니다.

이 연구는 초전도 양자 회로를 괴롭히는 오류를 진단하고 완화하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공합니다. 오류의 원인을 별개의 이해 가능한 범주로 분리함으로써, 연구진은 양자 연산의 충실도를 높이기 위한 명확한 경로를 제시했습니다. 그들의 작업은 더 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 열쇠가 단순히 더 나은 회로를 만드는 것뿐만 아니라, 회로와 그것을 구성하는 재료, 그리고 그것을 둘러싼 전자기파 사이의 복잡한 춤을 이해하는 데 있다는 것을 시사합니다. 세심한 설계와 제어 주파수의 전략적 선택을 통해 이러한 함정을 피해 갈 수 있으며, 이는 더욱 견고하고 강력한 양자 정보 처리를 향한 길을 열어줍니다.