Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

양자 컴퓨터를 구축하여 고전적 기계의 범위를 넘어서는 문제를 해결하려는 여정에서, 과학자들은 끊임없는 적에 직면해 있습니다: 바로 노이즈입니다. 양자 정보는 믿기 힘들 정도로 취약하며, 주변 환경의 아주 미세한 진동이나 변동에도 쉽게 흐트러집니다. 이 섬세한 데이터를 보호하기 위해 연구자들은 오류 정정이라는 전략을 개발했습니다. 물리적 구성 요소를 완벽하게 만들려고 노력하는 대신, 그들은 '논리 큐비트'라고 알려진 단일 정보를 여러 개의 물리적 구성 요소에 분산시킵니다. 만약 한 부분이 실패하더라도, 시스템은 정보를 파괴하지 않고 오류를 감지하여 수정할 수 있습니다. 한 유망한 접근 방식은 마이크로파 공동(cavity) 안에 갇힌 빛을 사용하여, 내부에서 튀어 다니는 광자(빛의 입자)의 숫자에 데이터를 저장하는 것입니다. 데이터가 여전히 안전한지 확인하기 위해, 시스템에는 '안실라(ancilla)'라고 불리는 작은 양자 장치라는 조력자가 필요하며, 이는 빛에 직접 닿지 않고도 빛의 상태를 읽어내는 센서 역할을 합니다.

수년간 엔지니어들은 '트랜스몬(transmon)'이라 불리는 초전도 회로라는 특정 유형의 조력자에 의존해 왔으며, 이는 조력자의 에너지 준위가 빛과 매우 정밀한 방식으로 일치하도록 조정되었습니다. 이 일치는 완벽한 방패가 될 것이라고 믿어졌습니다. 이론에 따르면, 만약 조력자가 실수를 하여 더 낮은 에너지 상태로 떨어진다면, 시스템은 즉시 이를 알 수 있어 수정할 수 있거나, 혹은 시스템을 지배하는 대칭의 규칙 덕분에 특정 위험한 실수는 물리적으로 불가능하다고 여겨졌습니다. 이러한 설계는 AWS 연구진이 개발한 오셀롯(Ocelot) 반복 코드와 같은 실제 양자 프로세서에서 사용되었으며, 밀리초 단위로 정보를 성공적으로 저장했습니다. 지배적인 가정은 조력자의 오류가 저장된 빛의 양과는 독립적이라는 것이었습니다. 즉, 빛이 많을수록 보호가 더 잘 되며, 조력자의 행동은 일정하게 유지된다는 것이었습니다.

하지만 라이스 대학교의 알렉산드르 구르카노프(Aleksandr Gulkanov)가 수행한 새로운 분석은 이 방패에 숨겨진 균열이 있음을 시사합니다. 조력자가 공동 내부의 빛과 어떻게 상호작나는지 면밀히 살펴본 결과, 연구자는 데이터를 보호하기 위한 바로 그 광자들이 조력자에게 특정한 유형의 실패를 유발할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 공동이 광자로 채워질 때, 조력자가 이전에는 금지되었다고 생각되었던 전이를 일으킬 수 있음을 보여줍니다. 이 과정에서 조력자는 더 낮은 에너지 상태로 떨어지는 동시에 빛의 장(field)에 광자를 하나 추가합니다. 결정적으로, 이 사건은 컴퓨터에 아무런 경고 신호를 보내지 않고 발생합니다. 시스템은 오류가 발생했다는 사실을 알지 못하며, 조력자의 상태가 데이터를 혼란스럽게 만드는 방식으로 변하기 때문에 저장된 정보를 뒤집어 버립니다. 이것은 '침묵하는 오류(silent error)'이며, 컴퓨터가 감지하거나 수정할 수 없는 오류입니다.

연구진은 단순히 이론적으로 이 아이디어를 제안한 것이 아니라, 이 숨겨진 채널이 실제 기계에서 어떻게 작동하는지 보기 위해 실제 오셀롯 장치의 상세한 모델을 구축했습니다. 그들은 이러한 침묵하는 오류의 발생률이 공동 내의 광자 수에 직접적으로 의존한다는 것을 발견했습니다. 저장된 빛의 양이 증가함에 따라, 이 특정한 실패의 확률도 커집니다. 이는 오류율이 빛의 세기와 상관없이 일정하게 유지될 것이라고 가정했던 이전 모델들과는 크게 다른 점입니다. 시뮬레이션에서 연구팀은 오셀롯 장치의 경우, 광자 수가 4에서 10으로 증가함에 따라 이 메커니즘에 의한 비트 플립(bit flip) 발생 확률이 선형적으로 증가하는 것을 관찰했습니다. 이러한 성장은 단순히 코드를 강화하기 위해 더 많은 빛을 추가하는 것이 결국 벽에 부딪힐 것임을 의미합니다. 기대했던 것처럼 오류율이 기하급수적으로 계속 떨어지는 대신, 시스템이 내려갈 수 없는 바닥(floor)을 만들어내며 오히려 상승하기 시작하는 것입니다.

이 발견은 이러한 양자 코드를 최적화하는 현재의 이해 방식에 도전합니다. 연구는 빛 저장의 최적 크기, 즉 오류율이 가장 낮은 특정 광자 수가 존재함을 나타냅니다. 이 지점을 넘어서서 더 많은 보호를 얻기 위해 더 많은 빛을 저장하려고 시도하면, 오히려 시스템을 더 취약하게 만듭니다. 연구진은 현재 사용되는 장치들에 대해 계산했을 때, 이 한계가 서로 다른 유형의 오류를 구별하는 시스템의 능력을 제한하여 컴퓨터의 성능을 실질적으로 제한할 수 있다고 보았습니다. 또한, 현재 실험에서는 4개의 광자까지만 테스트했기에 이 효과가 작지만, 모델에서의 추세는 명확하다고 언급했습니다. 만약 기술이 확장되어 더 많은 빛을 저장하게 된다면, 이 침묵하는 실패 모드가 지배적인 오류 원인이 되어 다른 알려진 문제들을 압도할 것입니다.

논문은 또한 왜 이런 현상이 발생하는지도 탐구합니다. 알고 보면 조력자와 빛은 단순히 옆에 놓여 있는 것이 아니라, 깊게 얽혀 있습니다. 빛의 존재는 조력자의 에너지 지형(energy landscape)을 변화시켜, 빛이 없을 때는 차단되었던 붕괴 경로를 허용합니다. 이 경로는 회로의 흔한 배경 소음인 전기적 노이즈에 의해 유도됩니다. 빛이 존재할 때, 빛은 촉매제 역할을 하여 조력자가 스스로는 하지 않을 도약을 하도록 자극합니다. 연구진은 현재 사용되는 유형의 조력자라면, 조력자와 빛 사이의 연결이 얼마나 강하든 관계없이 이 현상이 피할 수 없는 것이라고 보여주었습니다. 이 위험을 줄이는 유일한 방법은 조력자의 설계를 변경하거나, 완전히 다른 유형의 회로를 사용하거나, 혹은 보호를 위해 사용할 수 있는 빛의 양에 한계가 있음을 받아들이는 것입니다.

이 연구 결과는 미래 양자 컴퓨터 설계에 즉각적인 시사점을 줍니다. 성능을 개선하기 위해 빛 기반 코드의 크기를 키우려던 계획을 세웠던 엔지니어들은 전략을 재고해야 할 수도 있습니다. 연구는 이 특정한 상호작용을 해결하지 않은 채 더 큰 코드를 추진하는 것이 수익 체감이나 심지어 성능 악화를 초래할 수 있다고 시사합니다. 연구진은 자신들의 작업이 오셀롯 장치의 알려진 물리학을 바탕으로 정적 측정값에 맞춰 보정된 시뮬레이션임을 강조합니다. 실제 실험에서는 더 많은 빛을 사용하여 이 추세를 확인할 만큼 장치가 테스트되지 않았기 때문에 오류의 증가가 아직 관찰되지는 않았지만, 이론적 틀은 견고합니다. 모델은 만약 실험이 더 높은 광자 수로 확장된다면, 오류율이 상승하여 이 새로운 채널의 존재를 확인할 것이라고 예측합니다.

궁극적으로, 이 작업은 양자 시스템에서 정보를 보호하기 위해 사용하는 도구가 때로는 그 정보의 파괴 원인이 될 수 있다는 점을 상기시켜 줍니다. 코드를 안정화하는 광자들이 동시에 노이즈가 침입할 수 있는 문을 열어주는 것입니다. 이 메커니즘을 식별함으로써, 이 연구는 미래의 개선을 위한 명확한 목표를 제공합니다. 연구진에게 더 나은 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 단순히 "더 많은 빛이 더 좋다"는 생각을 넘어, 조력자와 그것이 보호하고자 하는 데이터 사이의 복잡한 춤에 집중해야 한다고 말해줍니다. 앞으로의 길은 이 상호작용을 피하도록 조력자를 재설계하거나, 이 현상을 유도하는 노이즈를 관리하는 새로운 방법을 찾는 것을 포함합니다. 이를 통해 차세대 양자 기계가 자신의 존재로 인해 희생되지 않고 진정으로 빛의 힘을 활용할 수 있도록 해야 합니다.