Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

바이올린이 연주하는 완벽하고 단일한 음을 콘서트홀에서 듣고 있다고 상상해 보세요. 이제 그 홀이 수천 마리의 작고 투명한 유령들로 가득 차 있다고 상상해 보세요. 이 유령들은 무섭지 않습니다. 그저 매우 안절부절못할 뿐이죠. 몇 초마다 유령 중 하나가 바이올린 줄 위로 뛰어올라 음의 높낮이를 아주 미세하게 바꾸거나, 소리가 예상보다 더 빨리 사라지게 만들 수도 있습니다. 양자 컴퓨팅의 세계에서 이 '유령들'은 실재합니다. 이들은 **이준위계(Two-Level Systems, TLS)**라고 불리며, 양자 컴퓨터를 구성하는 재료 속에 숨겨진 아주 작은 결함들입니다.

양자 컴퓨터는 오늘날의 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 문제들을 해결할 것을 약속하는 기술의 차세대 도약입니다. 양자 컴퓨터는 '큐비트(qubit, 양자 비트)'를 사용하여 수학 계산을 수행합니다. 하지만 큐비트는 믿기 힘들 정도로 취약합니다. 만약 큐비트가 에너지를 잃거나 노이즈 때문에 혼란에 빠지면, 계산은 실패합니다. 수년 동안 과학자들은 이 TLS 결함들이 큐비트가 에너지를 잃게 만들고 오류를 일으키는 주요 원인이라는 것을 알고 있었습니다. 문제는 이 결함들이 매우 교활하다는 점입니다. 이들은 움직이고, 주파수를 바꾸며, 켜졌다 꺼졌다를 반복합니다. 지금까지 이 결함들을 연구하기 위해 사용된 도구들은 마치 한 시간에 사진 한 장을 찍는 카메라로 벌새를 촬영하려는 것과 같았습니다. 사진이 인화될 때쯤이면 새는 이미 이동했거나, 색이 변했거나, 날아가 버린 뒤였죠. 우리는 유령들이 거기 있다는 것은 알았지만, 현장에서 붙잡을 수는 없었습니다.

여기서 한 새로운 연구팀이 영리한 트릭을 들고 등장합니다. 그들은 이 양자 유령들을 위한 '초고속 카메라'를 만들었습니다. 결함이 무엇을 하고 있는지 몇 시간씩 기다리는 대신, 그들은 초당 수천 번씩 자신의 추측을 업데이트하는 스마트하고 적응적인 시스템을 사용했습니다. 이 새로운 방법을 통해, 그들은 이 결함들이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 활동적이라는 사실을 발견했습니다. 어떤 결함들은 단 몇 초 만에 행동을 바꾸기도 하고, 어떤 것들은 술에 취해 귀가하는 사람처럼 비틀거리며 예상보다 훨씬 빠르게 움직인다는 것을 발견했습니다 именно.

이것은 호기심 많은 십 대의 언어로 들려주는 그들의 발견에 관한 이야기입니다.

기계 속의 유령들

초전도 큐비트를 매우 민감한 라디오 방송국이라고 생각해 보세요. 이 방송국은 5.1GHz와 같은 특정 주파수에서 방송을 송출합니다. 제 역할을 다하려면 정확히 그 주파수에 맞춰져 있어야 합니다. 하지만 라디오 내부의 절연체와 금속 속에는 보이지 않는 작은 '결함(TLS)'들이 숨어 있습니다. 가끔 어떤 결함이 라디오와 같은 주파수에 맞춰지기로 결정할 때가 있습니다. 이때 라디오는 주의가 분산됩니다. 에너지를 결함에게 빼앗기게 되고, 신호는 점점 사라집니다. 이것을 '이완(relaxation)'이라고 부르며, 이는 양자 컴퓨팅의 적입니다.

오랫동안 과학자들은 이 결함들이 대부분 정적인 상태라고 생각했습니다. 만약 결함을 관찰한다면, 그것이 하늘의 구름처럼 천천히 떠다니거나 몇 시간 동안 그 자리에 머물 것이라고 믿었습니다. 결함이 어디에 있고 어떻게 움직이는지 지도를 그리려면 라디오 주파수를 몇 시간 동안 스캔해야 했습니다. 그것은 마치 하루에 한 번씩 도시를 걸어서 도시의 지도를 만드는 것과 같았습니다. 그러면 교통 체증이나 뛰어다니는 사람들을 놓치게 될 것입니다.

"스마트 카메라"의 돌파구

MIT와 위스콘신 대학교에서 제작된 장치를 활용해 연구한 이 연구진은 유령들을 관찰할 더 나은 방법을 만들기로 했습니다. 그들은 라디오가 즉각적으로 어떤 채널로든 튜닝할 수 있는 것처럼, 즉석에서 주파수를 바꿀 수 있는 특수한 유형의 큐비트를 사용했습니다. 또한, 운영의 두뇌 역할을 할 FPGA(Field-Programmable Gate Array)라는 초고속 컴퓨터 칩을 사용했습니다.

단순히 한 곳을 오랫동안 응시하는 대신, 그들의 시스템은 '적응형(adaptive)'입니다. 숨겨진 물건을 찾기 위해 "더워졌다 차가워졌다" 게임을 하고 있다고 상상해 보세요. 일반적인 플레이어는 한 곳을 확인하고, 1분간 기다린 다음, 다른 곳을 확인할 것입니다. 이 새로운 시스템은 매번 추측을 할 때마다 물건이 다음에 있을 가능성이 가장 높은 곳을 즉시 계산하여 바로 그곳으로 뛰어드는 천재적인 플레이어와 같습니다.

그들은 이 방법을 사용하여 큐비트의 주파수 범위를 스캔했습니다. 주파수를 확인할 때마다 시스템은 큐비트가 얼마나 빨리 에너지를 잃는지 측정했습니다. 만약 에너지 손실이 급증했다면, 그곳에 결함이 있다는 뜻입니다. 시스템이 매우 빨랐기 때문에, 1초도 안 되는 시간에 전체 주파수 범위를 스캔하여 '스냅샷'을 찍을 수 있었습니다. 이를 계속 반복함으로써, 그들은 결함이 움직이는 모습을 담은 영화를 만들어냈습니다.

놀라운 사실: 유령들은 초활동적이다

그들이 영화를 보았을 때, 결과는 충격적이었습니다. 그들은 예상보다 훨씬 빠르게 일어나는 두 가지 주요한 '유령 같은' 행동을 발견했습니다.

1. 텔레그래프 스위치 (The Telegraph Switch):
어떤 결함들은 불안한 손에 의해 켜졌다 꺼졌다 하는 전등 스위치처럼 행동했습니다. 결함은 한 주파수에 머물며 큐비트의 에너지를 잃게 만들다가, 갑자기—포프!—다른 주파수로 점프했습니다. 연구진은 이러한 점프가 약 2.2초라는 특징적인 시간 내에 발생한다는 것을 측정했습니다.

이것은 등대 불빛이 갑자기 다른 방향으로 휙 돌아가는 것과 같습니다. 과거에 과학자들은 이러한 스위칭이 몇 시간 동안 일어난다고 생각했습니다. 이 점프가 몇 초 만에 일어난다는 것을 알아낸 것은, 양자 컴퓨터의 환경이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 혼란스럽다는 것을 의미합니다. 그것은 마치 방 안에 앉아 있는데, 사람들이 가만히 앉아 있는 것이 아니라 끊임없이 의자를 옮겨 다니며 움직이고 있다는 사실을 깨닫는 것과 같습니다.

2. 취객의 걸음걸이 (스펙트럼 확산, Spectral Diffusion):
다른 결함들은 단순히 점프하는 것이 아니라 배회했습니다. 그들은 술에 취해 길을 비틀거리며 걷는 사람처럼 주파수 스펙트럼을 따라 천천히 표류했습니다. 연구진은 이들이 얼마나 빨리 표류하는지(확산도, diffusivity)를 측정했고, 그 값이 약 0.9 MHz² s⁻¹임을 발견했습니다.

여기서 핵심은 이것입니다: 이 표류 속도는 몇 시간 동안 진행되었던 이전 실험들보다 약 300배나 더 빨랐습니다. 결과적으로, 오랜 시간에 걸쳐 수행된 느린 측정 방식들은 오히려 사진을 '흐릿하게(blurring)' 만들었던 것입니다. 모든 것을 긴 시간 동안 평균 내버림으로써, 과학자들은 결함들이 실제로 빠르게 움직이고 있다는 사실을 놓쳤던 것입니다. 그것은 마치 안개 낀 창문을 통해 빠른 자동차를 보는 것과 같습니다. 오랫동안 보고 있으면 자동차는 그저 흐릿한 잔상처럼 보이지만, 빠른 카메라를 사용하면 자동차가 속력을 내고 있는 것을 볼 수 있습니다.

이것이 당신의 미래 컴퓨터에 중요한 이유

여러분은 "그래서 뭐? 고작 몇 초 더 빠른 것뿐이잖아"라고 생각할지도 모릅니다. 하지만 양자 컴퓨팅의 세계에서는 타이밍이 전부입니다.

연구진은 또한 이 빠르게 움직이는 유령들이 실제로 컴퓨터의 논리 구조에 오류를 일으키는지 확인했습니다. 그들은 컴퓨터의 두뇌에 대한 스트레스 테스트와 같은 '무작위 벤치마킹(randomized benchmarking)'이라는 테스트를 실행했습니다. 그들은 강력한 연결 고리를 발견했습니다: 결함이 활성화되어 큐비트의 에너지를 빠르게 잃게 만들 때, 컴퓨터는 계산에서 더 많은 실수를 저질렀습니다. 상관관계는 0.618로 매우 강했으며, 이는 유령들이 확실히 작업을 방해하고 있음을 의미합니다.

이것은 양자 컴퓨터를 만들고 고치는 방식을 완전히 바꿉니다. 오랫동안 우리는 이 컴퓨터들을 몇 시간마다 한 번씩 교정(calibration, 튜닝)하는 계획을 세워왔습니다. 하지만 결함들이 몇 초마다 움직인다면, 몇 시간마다 튜닝하는 것은 시속 100마일로 달리는 자동차의 엔진을 고치려는 것과 같습니다. 문제를 놓칠 수밖에 없습니다.

이 논문은 새로운 사고방식이 필요하다고 제안합니다. 컴퓨터를 하루에 한 번 체크하는 대신, 실시간으로 계속 체크해야 할 수도 있습니다. 연구진은 자신들의 빠른 '스마트 카메라'가 이러한 문제들을 발생하는 즉시 포착하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 만약 시스템이 결함이 너무 많은 문제를 일으키는 것을 발견하면, 계산을 잠시 멈추거나 주파수를 조정하여 유령을 통째로 피해 갈 수 있습니다.

결론

이 논문은 단순히 새로운 유형의 결함을 찾아낸 것이 아닙니다. 우리가 이미 알고 있던 결함들이 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 에너지가 넘치고 예측 불가능하다는 것을 밝혀냈습니다. 그들은 정적인 유령이 아니라, 초활동적인 무용수들입니다.

연구진은 빠른 적응형 측정을 통해 이러한 춤을 실시간으로 볼 수 있다는 것을 증명했습니다. 그들은 이러한 빠른 움직임이 장비의 실수나 우연한 현상이 아니라는 점을 입증했습니다. 서로 다른 두 개의 실험실에서 제작된 두 종류의 장치에서 동일한 행동을 관찰했기 때문입니다. 그들은 아직 이 결함들을 완전히 해결하지는 못했습니다. 이 결함들이 정확히 무엇으로 만들어졌는지, 혹은 어떻게 완전히 제거할 수 있는지는 여전히 모릅니다. 하지만 그들은 결함들이 어디에 있고 어떻게 움직이는지에 대한 첫 번째 명확하고 고속인 지도를 제공했습니다.

이것은 마치 오래된 TV의 '노이즈(static)'가 단순한 무작위 소음이 아니라, 작고 빠르게 움직이는 수많은 생명체라는 것을 발견한 것과 같습니다. 이제 우리는 그들이 거기에 있다는 것을 알았고, 얼마나 빨리 움직이는지도 알게 되었습니다. 이제 우리는 드디어 그들이 우리의 쇼를 망치지 못하도록 더 나은 방패를 만들 수 있게 되었습니다. 미래의 양자 컴퓨팅을 위해 이것은 큰 진전입니다. 우리는 더 이상 유령을 무시할 수 없지만, 이제 드디어 그들을 잡을 수 있는 도구를 갖게 되었습니다.