두 음향 공진기, 양자적 진전 함께 이뤄
선전 국제양자과학원(Shenzhen International Quantum Academy)의 디안 탄이 이끄는 연구팀은 슈투트가르트대학교 등 여러 기관과 협력해 하이브리드 칩에서 2개, 4개, 6개의 음향 모드가 얽힌 양자 얽힘 상태를 만들었다. 연구팀은 또 별도의 기계식 공진기 두 개 사이에서 2개 및 4개 모드가 얽힌 상태를 전달해 진동에 담긴 양자 정보를 생성하고 이동시키는 과정을 모두 시연했다.
목차
얽힘 상태 생성에서 가장 높은 충실도는 2개 모드에서 0.912 ± 0.003이었다. 충실도는 실험에서 만들어진 양자 상태가 목표 상태와 얼마나 일치하는지를 나타내며, 1은 완벽하게 일치한다는 뜻이다. 4개 모드에서는 0.790 ± 0.003, 6개 모드에서는 0.570 ± 0.001이었다.
10월 15일 2026년이 게재일로 기재된 이번 연구는 사이언스(Science)에 발표됐다. 논문 제목은 「거시적 음향 공진기에서 진정한 다자 얽힘의 결정론적 생성과 분배」다. 선전 연구소는 10월 16일 연구 결과를 발표했다.
이번 실험은 더 큰 규모의 음향 양자 시스템에 필요한 세 가지 과제를 함께 다뤘다. 공유 양자 상태 생성, 하드웨어 장치 간 전달, 그리고 측정이다. 가장 복잡한 상태는 6개 음향 모드로 구성됐고, 상태 전달 실험에는 2개 및 4개 모드가 사용됐다.
진동은 어떻게 양자 정보를 전달하나
칩은 기계적 진동의 양자 단위인 포논을 이용한다. 포논은 진동에서 광자의 빛과 비슷한 역할을 한다. 양자 시스템에서 에너지가 불연속적인 단위로 존재한다는 점을 나타낸다.
기계 장치는 고배음 벌크 음향 공진기, 즉 HBAR다. 각 공진기는 여러 음향 모드를 지원하는데, 이는 서로 다른 주파수에서 나타나는 구별된 진동 패턴을 뜻한다. 악기가 여러 음을 낼 수 있듯 공진기도 여러 진동 패턴을 지원한다. 다만 그 양자 상태를 제어하려면 훨씬 정밀한 장비가 필요하다.
HBAR은 여러 모드를 지원하고, 비교적 긴 저장 수명을 가지며, 칩 집적과 호환돼 연구자들의 주목을 받고 있다. 한 장치 안의 여러 모드를 각각 양자 정보 인코딩 공간으로 활용하면 모든 모드에 별도의 기계 부품을 둘 필요가 줄어든다.
무엇이 얽힘을 ‘진정한’ 얽힘으로 만드나
탄과 동료들은 진정한 다자 얽힘을 생성했다. 간단히 말해 양자적 연결이 참여한 모드 전체에 걸쳐 있다. 얽힘을 모두 포함하는 독립적인 소그룹들로 상태를 나눌 수 없다.
예를 들어 6개 모드가 서로 독립적인 얽힌 쌍 3개로 구성된 경우는 6개 모드 전체에 얽힘이 공유된 진정한 얽힘과 구조가 다르다. 후자는 프로세서나 네트워크의 여러 부분을 아우르는 연산에 활용할 수 있는 집단적 양자 자원을 연구자들에게 제공한다.
탄은 이처럼 공유된 연결이 여러 노드를 갖춘 양자 네트워크와 분산 양자 정보 처리에 쓰일 자원이라고 설명했다. 노드는 양자 정보를 저장하거나 처리할 수 있는 개별 장치다. 분산 처리는 연결된 장치들이 작업을 나눠 수행하는 방식이다.
논문 저자들은 초록에서 실험 성과를 다음과 같이 설명했다.
두 개의 다중 모드 음향 공진기 사이에서 진정한 다중 모드 얽힘을 생성하고 전달한 결과를 보고한다.
따라서 이 하드웨어는 집단 상태를 생성하는 동시에 그 상태를 서로 다른 기계 장치 사이에서 이동시키는 기능도 다룬다. 이는 음향 양자 구성 요소를 더 큰 시스템으로 연결하기 위해 각각 필요한 별개의 기능이다.
초전도 큐비트 하나로 여러 모드 제어
연구진은 음향 공진기를 가변형 초전도 큐비트에 결합했다. 큐비트는 제어 가능한 양자 정보 단위다. 이번 실험에서 큐비트는 기계적 양자 상태를 생성하고 조작하며 측정하는 수단으로 쓰였다.
연구팀은 음향 모드 주파수 분포와 큐비트-포논 상호작용을 세심하게 설계했다. 이를 통해 초전도 큐비트 하나가 여러 기계적 모드와 강하게 상호작용할 수 있었고, 연구자들은 공통 제어 요소를 통해 여러 진동 패턴에 접근할 수 있었다.
강한 결합이란 손실과 원치 않는 교란이 과정을 압도하기 전에 제어된 양자 정보 교환이 가능할 정도로 상호작용이 충분하다는 뜻이다. 공진기의 다양한 진동 패턴을 유용한 양자 자원으로 바꾸려면 여러 모드를 선택하고 제어하는 것이 핵심이다.
이 아키텍처는 여러 종류의 양자 하드웨어를 결합한다. 기계식 공진기는 음향 상태를 저장하고, 초전도 큐비트는 이를 제어하며, 가변형 양자 결합기는 회로의 각 부분을 연결한다. 이러한 요소를 칩에 집적하는 것이 연구팀이 제안한 모듈형 설계의 기반이다.
상태 생성 수치가 보여주는 것
사이언스 논문은 목표 얽힘 상태를 생성할 때의 충실도를 다음과 같이 보고했다.
- 2개 모드: 0.912 ± 0.003, 충실도 91.2%.
- 4개 모드: 0.790 ± 0.003, 충실도 79.0%.
- 6개 모드: 0.570 ± 0.001, 충실도 57.0%.
수치가 낮아진 것은 복잡성이 커질 때 드는 비용을 보여준다. 참여 모드 수가 2개에서 6개로 늘어나면서 측정된 충실도는 34.2%포인트 감소했다. 모드가 많아지면 공유 양자 상태의 규모가 커지는 한편 상태 생성과 제어에 필요한 부담도 커진다.
충실도는 측정된 상태와 목표 상태가 얼마나 비슷한지를 나타낸다. 각 수치 뒤에 표시된 불확실성은 해당 측정의 보고된 불확실성이다. 연구진은 생성한 세 상태 모두를 진정한 얽힘 상태로 규정했다.
저자들은 또 이 접근법을 결정론적이라고 설명한다. 이는 간혹 일어나는 무작위 성공 사례를 골라내는 방식이 아니라, 제어된 순서를 통해 상태를 생성하도록 설계했다는 뜻이다. 결정론적 작동과 충실도는 성능의 서로 다른 측면을 설명한다. 제어된 생성 순서를 사용하더라도 완벽하지 않은 상태가 나올 수 있다.
기계적 노드 사이의 얽힘 전달
전달 실험에는 초전도 큐비트 및 가변형 결합기와 함께 통합된 별도의 HBAR 공진기 두 개가 동일한 하이브리드 칩 아키텍처에 사용됐다. 연구팀은 공진기 사이에서 양자 정보를 교환하고 얽힘 상태를 한 기계적 노드에서 다른 노드로 전달했다.
2개 모드가 포함된 상태의 보고된 전달 충실도는 0.785 ± 0.006이었다. 4개 모드 상태에서는 0.601 ± 0.006이었다. 백분율로 나타내면 각각 78.5%와 60.1%다.
전달 결과는 음향 하드웨어 내부에서 얽힘을 생성하는 단계를 넘어선 성과다. 공유 양자 상태를 다른 공진기로 옮기는 경로를 보여준다. 이는 계산의 서로 다른 부분을 각 노드가 저장하거나 처리해야 할 때 필요한 작동이다.
보고된 전달 시연은 2개 및 4개 모드에 한정된다. 6개 모드로 전달을 확장하는 것은 앞으로 해결할 과제다. 시연된 연결은 동일한 칩 위의 공진기 사이에서 이뤄졌으며, 제안된 더 큰 네트워크는 연결된 하드웨어 장치를 추가해 구축하는 방식이다.
큐비트 두 개로 더 큰 음향 상태 측정
연구진은 여러 음향 모드에 초전도 큐비트를 재사용하는 양자 상태 단층촬영 방법도 개발했다. 단층촬영은 실험을 반복해 준비한 뒤 여러 차례 측정한 결과를 바탕으로 양자 상태를 재구성하는 방법이다.
실험에서는 제어 순서를 만드는 것만으로 충분하지 않기 때문에 이 과정이 중요하다. 연구자들은 여러 모드 사이의 상관관계를 포함해 실제로 어떤 상태가 만들어졌는지 보여주는 측정 결과를 얻어야 한다.
연구팀은 초전도 큐비트 두 개만으로 다중 모드 얽힌 포논 상태의 단층촬영을 수행했다. 서로 다른 모드에서 같은 측정 자원을 재사용해 음향 모드마다 별도의 측정 큐비트를 둘 필요를 없앴다.
탄은 당시 양자 음향 플랫폼에서 보고된 다중 모드 포논 상태의 실험적 특성 분석 가운데 가장 큰 규모라고 설명했다. 이 주장은 상태 재구성의 규모에 관한 것이다. 실용적인 기여는 음향 시스템이 커져도 제한된 수의 큐비트를 더 폭넓게 활용할 수 있게 하는 측정 방법이다.
칩 배치가 중요한 이유
연구팀의 2차원 칩 아키텍처는 이런 실험을 확장할 때 부딪히는 물리적 제약을 해결한다. 3차원 마이크로파 공진기에 의존하는 기존 설계는 연구자들이 더 많은 구성 요소를 연결하려 할 때 공간과 공학적 부담이 커진다.
탄은 칩 방식이 모듈성, 집적성, 확장 여지를 제공한다고 말했다. 제안된 구조에서는 개별 초전도 큐비트를 별도의 기계식 공진기에 결합한 뒤, 제어 가능한 결합기로 큐비트들을 연결한다.
공진기를 하나 추가할 때마다 여러 음향 모드를 더할 수 있다. 따라서 이 설계에는 두 가지 확장 방향이 있다. 공진기 노드를 더 연결하는 것과 각 공진기가 지원하는 모드를 더 많이 활용하는 것이다.
상태 생성 및 전달 수치는 앞으로 필요한 작업도 보여준다. 참여 모드 수가 늘면서 충실도가 낮아졌고, 시연된 전달 충실도는 이에 대응하는 상태 생성 충실도보다 낮았다. 더 큰 프로세서는 모드 수와 연결 수를 모두 늘리는 동시에 유용한 상태를 보존해야 한다.
이번 실험에서 더 큰 네트워크로
이번에 당장 이룬 성과는 다중 모드 얽힘, 기계적 노드 간 전달, 상태 재구성을 결합한 실험실 플랫폼이다. 시연된 단계와 제안된 다음 단계는 다음과 같다.
- 2026년 10월 15일: 사이언스 논문에 2개, 4개, 6개 모드가 포함된 진정한 얽힘 상태 생성과 2개 및 4개 모드 상태 전달이 보고됐다.
- 2026년 10월 16일: 선전 연구소가 협력 연구 결과를 발표하고 제어 및 측정 접근법을 소개했다.
- 제안된 다음 단계: 제어 가능한 결합기로 연결되는 HBAR 공진기와 초전도 큐비트를 추가해 활용 가능한 얽힘 자원을 확장한다.
연구팀은 더 큰 네트워크의 구축 시점을 밝히지 않았다. 제안은 시연된 하드웨어를 직접 확장하는 방식이다. 공진기를 모듈로, 음향 모드를 양자 자원으로 활용하고, 초전도 회로로 이를 제어하고 연결한다.
양자 컴퓨팅 연구에 이번 성과가 기여하는 바는 구체적이다. 여러 진동 모드가 진정한 양자 상태를 공유하는 방법, 얽힘 상태를 공진기 사이로 전달하는 방법, 큐비트 두 개로 더 큰 음향 상태를 재구성하는 방법을 보여준다. 이 접근법을 확장하려면 더 높은 충실도와 더 많은 노드 연결이 필요하다.
핵심 내용
- 디안 탄 연구팀과 국제 공동 연구진이 2개, 4개, 6개 음향 모드가 포함된 진정한 얽힘 상태를 생성했다.
- 상태 생성 충실도는 각각 91.2%, 79.0%, 57.0%였다.
- 2개 및 4개 모드가 포함된 얽힘 상태를 별도의 공진기 사이에서 전달했으며, 충실도는 각각 78.5%와 60.1%였다.
- 초전도 큐비트 두 개를 재사용해 단층촬영으로 다중 모드 포논 상태를 재구성했다.
- 연구팀은 공진기, 큐비트, 제어 가능한 연결을 더해 칩 아키텍처를 확장하는 방안을 제안했다.
