RIKEN, 하나의 공용 마이크로파 선으로 실리콘 큐비트 5개 정밀 제어

제어선 하나로 큐비트 5개 제어…원치 않는 간섭 해결

일본 리켄(RIKEN) 신흥물질과학센터 연구진과 공동 연구진은 하나의 공용 마이크로파 선을 통해 실리콘 양자비트 5개를 제어하면서 각 큐비트의 개별 연산 정확도를 약 99.9% 이상으로 유지했다. 큐비트 최대 3개를 함께 작동했을 때는 각각의 정확도가 99.99%를 넘어섰다. 이는 실리콘 양자 프로세서의 규모를 키우는 데 걸림돌이 돼 온 제어 문제를 해결하는 성과다.

2026년 10월 15일 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재된 이 연구는 마이크로파 신호 자체가 주요 간섭 원인이라는 점을 밝혀냈다. 한 큐비트를 겨냥한 신호가 다른 큐비트의 작동 조건을 바꾼다. 연구진은 큐비트 쌍 사이에서 발생하는 원치 않는 변화를 측정한 뒤, 이를 보정하도록 제어 신호를 조정했다.

이번 성과는 함께 해결해야 하는 두 가지 문제, 즉 양자 연산의 정확도를 유지하고 프로세서가 커질수록 제어에 필요한 배선을 줄이는 문제를 연결한다. 마이크로파 선을 공유하면 제어 구조가 단순해지고, 보정 방법을 적용하면 여러 큐비트를 동시에 작동할 때도 정확도를 유지하는 데 도움이 된다.

실험을 총괄한 공동 제1저자이자 리켄 연구원인 리언 카멘진드는 16일자로 발표된 리켄의 영문 보도자료에서 이번 성과를 다음과 같이 설명했다.

여러 큐비트를 동시에 작동해도 높은 충실도의 제어를 유지할 수 있음을 보여준다. 실리콘 기반 양자 프로세서를 확장하는 데 중요한 진전이다.

정확도 수치의 의미

네이처 피직스에 실린 논문의 제목은 “스핀 큐비트 배열에서 동시 고충실도 단일 큐비트 게이트 구현”이다. 논문은 게이트라고 불리는 기본 연산을 측정한 결과를 보고했다. 게이트는 큐비트의 양자 상태를 바꾼다. 충실도는 연산 결과가 의도한 결과와 얼마나 일치하는지를 나타낸다.

큐비트 5개는 각각 99.99%를 훨씬 웃도는 게이트 충실도를 보였으며, 일부는 99.999%에 근접했다. 최대 3개를 동시에 작동했을 때도 충실도는 99.99%를 넘었다. 5개를 모두 함께 작동한 경우 논문은 성능이 99.9% 이상이라고 보고했으며, 리켄은 이 결과를 약 99.9%로 요약했다.

소수점 아래 자릿수는 중요하다. 충실도를 100%에서 빼면 평균 게이트 오류를 구할 수 있다. 99.9%는 0.1%, 99.99%는 0.01%에 해당한다. 두 수준 사이의 차이는 오류 지표를 10분의 1로 줄이는 것이다. 양자 오류 정정은 여러 연산에서 이 같은 오류를 낮게 유지하는 데 크게 좌우된다.

연구진은 개별 큐비트의 상태를 서로 다른 축을 중심으로 회전시키는 기본 X 게이트와 Y 게이트를 측정했다. 이 게이트들은 양자 회로를 구성하는 기본 요소다. 여러 게이트를 동시에 작동하면 프로세서의 각 부분이 차례를 기다리는 대신 함께 작동할 수 있다.

실리콘 소자의 작동 원리

큐비트 5개는 실리콘과 실리콘 게르마늄으로 만든 구조 안의 양자점이라는 미세한 영역에 자리한다. 금속 전극이 이 영역을 형성하고 제어한다. 정보는 전자의 양자 성질인 스핀에 부호화되며, 마이크로파 신호로 조작할 수 있다.

이 소자에는 동위원소 실리콘-28을 농축한 실리콘이 사용됐다. 리켄의 일본어 연구 발표에 따르면 실리콘-28에는 핵스핀이 없다. 덕분에 정보를 담는 전자 스핀에 보다 안정적인 자기 환경을 제공할 수 있다.

겹쳐진 알루미늄 게이트 층 3개가 큐비트 배열을 형성한다. 작은 코발트 자석은 소자 곳곳에서 세기가 달라지는 자기장을 만들어 인접한 큐비트의 작동 주파수를 약 150메가헤르츠 차이 나게 한다. 이런 주파수 차이 덕분에 큐비트들이 마이크로파 전극을 공유하면서도 개별 제어가 가능하다.

공용 선은 서로 다른 큐비트를 겨냥한 마이크로파 펄스를 함께 전달한다. 양자점을 형성하고 큐비트 사이의 상호작용을 조정하는 등 다른 역할은 별도 전극이 계속 담당한다. 배선 감소는 이 프로세서 유형을 확장할 때 어려운 부분 중 하나인 마이크로파 제어 기반 시설에 해당한다.

큐비트를 차례로 작동할 수 없는 이유

실리콘 스핀 큐비트는 대기하는 동안 양자 상태의 정밀한 관계를 잃는다. 디페이징이라고 부르는 이 현상은 다음 연산이 시작되기 전에 정보에 손상을 줄 수 있다. 이 소자에서 평균 유휴 디페이징 시간은 약 10.3마이크로초, 즉 1030만분의 1초였다.

논문은 구동 중 결맞음 시간이 약 100마이크로초로, 유휴 디페이징 시간의 약 10배라고 보고했다. 디페이징의 일부 유형을 상쇄하는 제어 시퀀스를 사용하는 한 에코 측정에서는 평균 약 60마이크로초가 나왔다. 각 측정은 서로 다른 작동 조건에서의 큐비트 상태를 나타낸다.

이처럼 짧은 시간 때문에 병렬 제어는 현실적인 필수 조건이다. 대형 프로세서에서 큐비트를 하나씩 차례로 작동하면 나머지 큐비트 상당수가 귀중한 시간을 대기 상태로 보내게 된다. 양자 오류 정정도 오류를 감지하고 관리하기 위해 큐비트 그룹 간에 연산을 조율해야 한다.

그러나 병렬 제어에는 정확도가 떨어지는 문제가 따랐다. 네이처 피직스 논문은 이전 실리콘 및 실리콘 게르마늄 실험에서 큐비트 두 개만 동시에 작동해도 충실도가 99.95%에서 99.5%로 낮아졌다고 밝혔다. 리켄 연구진은 이 저하의 물리적 원인과 보정 방법을 조사했다.

오류를 일으키는 마이크로파 효과

연구진은 병렬 제어 중 정확도가 떨어지는 주된 원인으로 AC 스타크 효과에 따른 주파수 이동을 지목했다. 마이크로파 장은 해당 큐비트를 겨냥하는 데 사용된 주파수와 다르더라도 큐비트의 유효 에너지 준위를 바꿀 수 있다.

큐비트의 위상은 양자 상태를 이루는 요소들 사이의 관계를 나타낸다. 에너지 간격이 달라지면 그 위상이 시간에 따라 변하는 양상도 달라진다. 예상하지 못한 위상 변화가 생기면 다음 제어 펄스는 연구진이 의도한 위치에서 벗어난 상태에 작용하게 된다.

연구진은 Q3와 Q4로 표시된 큐비트 사이에서 이 간섭을 직접 측정했다. Q4를 구동하면 Q3에 약 0.0379라디안의 위상 변화가 생겼고, Q3를 구동하면 Q4에 약 마이너스 0.0026라디안의 변화가 발생했다. 두 효과의 차이는 두 큐비트를 같은 속도로 작동하는 데 필요한 마이크로파 출력이 서로 달랐기 때문이다.

위상 변화는 구동 진폭의 제곱에 대략 비례해 커졌다. 쉽게 말해 측정된 관계에서는 진폭을 두 배로 높이면 위상 변화가 약 네 배가 될 수 있다. 따라서 제어 신호가 강할수록 정밀한 보정이 더 중요해진다.

큐비트 조합별 보정 부담을 줄이는 쌍별 측정

실험을 수행한 제1저자이자 박사과정 연구자인 우이셴은 큐비트를 더 많이 함께 작동할수록 늘어나는 보정 부담을 연구진이 어떻게 줄였는지 설명했다.

가능한 모든 큐비트 조합마다 별도의 보정 절차를 새로 마련하는 대신, 큐비트 쌍 사이의 보정값을 이용해 원치 않는 위상 변화를 상쇄하는 방법을 사용했습니다.

연구진은 한 큐비트의 작동이 다른 큐비트의 위상을 어떻게 바꾸는지 측정했다. 그런 다음 개별 효과를 더해 여러 큐비트를 함께 작동할 때 필요한 보정량을 계산했다. 마이크로파 위상을 조정해 주된 원치 않는 변화를 상쇄했다. 펄스 진폭도 보정해 회전량이 너무 크거나 작아지는 문제를 수정했다.

Q2, Q3, Q4를 이용한 실험은 이 접근법을 뒷받침했다. 양옆의 두 큐비트를 함께 작동했을 때 Q3에 누적된 위상은 각 이웃 큐비트의 효과를 따로 측정해 더한 값과 일치했다. 큐비트 5개를 모두 작동할 때도 쌍별 보정은 나머지 4개를 구동한 채 각 큐비트를 측정하는 전체 보정과 동등한 성능을 보였다.

연구진의 2025년 7월 사전 공개 논문은 보정 작업량이 큐비트 수에 따라 지수적으로 늘어나는 대신 제곱에 비례해 증가한다고 설명한다. 대략적으로 큐비트 수를 두 배로 늘리면 쌍별 보정 작업량은 약 네 배가 된다. 작동 가능한 모든 조합을 측정하면 작업량이 훨씬 더 빠르게 늘어나 대규모 배열에서 보정이 갈수록 어려워진다.

매끄러운 펄스로 정밀도 유지

보정에는 정교하게 설계한 마이크로파 펄스도 사용됐다. 연구진은 일반적인 직사각형 펄스보다 파형이 부드러운 카이저 창 펄스를 적용했다. 이 파형은 인접 큐비트를 교란할 수 있는 원치 않는 주파수 성분을 억제한다.

사전 공개 논문에 따르면 직사각형 펄스를 사용했을 때 개별 기본 게이트 충실도는 약 99.98%였다. 카이저 창 펄스로 바꾸자 큐비트 5개 모두 99.99%를 넘었고, 일부는 99.999%에 근접했다. 이 비교는 제어 신호의 형태가 주파수와 세기만큼 중요할 수 있음을 보여준다.

연구진은 랜덤 벤치마킹으로 성능을 평가했다. 이 방법은 무작위로 선택한 연산을 연속 적용하고, 시퀀스가 길어질수록 의도한 결과를 얻을 확률이 얼마나 빠르게 낮아지는지 측정한다. 그 감소 폭을 이용해 평균 게이트 충실도를 추정할 수 있다.

게이트 속도도 균형을 맞춰야 했다. 게이트가 느리면 큐비트가 디페이징에 더 오래 노출되는 반면, 지나치게 빠른 게이트에는 더 강한 마이크로파 구동이 필요해 잡음이 늘어날 수 있다. 연구진은 개별 제어에 최소 83나노초의 게이트 시간을 사용했고, 3큐비트 실험의 동시 게이트 시간은 최대 구동 진폭을 낮추기 위해 250나노초로 설정했다.

큐비트 5개 동시 작동의 남은 한계

큐비트 5개를 모두 함께 구동하려면 마이크로파 출력이 더 필요했고, 충실도는 99.9% 수준으로 낮아졌다. 연구진은 남은 손실이 주로 구동 유발 결맞음 저하, 즉 연산에 필요한 양자 결맞음의 약화 때문이라고 분석했다.

위상 보정은 측정하고 상쇄할 수 있는 예측 가능한 변화를 해결한다. 결맞음 저하를 줄이려면 작동 중 양자 상태를 더 잘 보존해야 한다. 따라서 미세 자석을 포함한 소자 설계가 추가 개선의 초점이다.

카멘진드는 남은 제약과 연구진이 제시한 대응 방안을 설명했다.

이는 한계이지만, 소자 설계를 더 개선하면 이 오류 원인을 완화할 수 있습니다.

논문은 내결함성에 필요한 충실도 기준이 오류 정정 프로토콜과 존재하는 잡음의 유형에 따라 달라진다고 설명한다. 99.9%를 넘는 값은 실용적인 작동을 위해 널리 목표로 삼는다. 실제 시스템을 구현하려면 훨씬 더 큰 배열에서 정확한 게이트뿐 아니라 안정적인 측정과 반복적인 오류 정정도 결합해야 한다. 연구진은 그 단계에 도달할 시점을 제시하지 않았다.

첫 논문 발표에서 더 큰 연구 목표까지

이번 연구는 사전 공개 논문과 학술지 게재를 거쳐 리켄이 성과를 발표했다. 주요 일정은 다음과 같다.

• 2025년 7월 16일: 연구진이 첫 사전 공개 논문(arXiv:2507.11918v1)을 발표했다.
• 2026년 10월 15일: 네이처 피직스가 DOI 10.1038/s41567-026-03466-2로 연구를 게재했다.
• 2026년 10월 16일: 리켄이 연구 결과를 소개하는 영문 보도자료를 발표했다.

공동 연구에는 리켄, 국립대만대, 취리히연방공대(ETH Zurich), 네덜란드 큐테크(QuTech) 연구진이 참여했다. 일본 과학기술진흥기구(JST)는 내결함성 실리콘 양자컴퓨터 기술을 다루는 문샷 목표 6 프로젝트(JPMJMS256H)를 통해 연구를 지원했다.

실리콘은 기존 반도체 제조 기술과 호환돼 집적도를 높일 수 있다는 장점이 있다. 이번 실험은 여기에 제어 전략을 더했다. 여러 큐비트가 마이크로파 선을 공유하고, 큐비트 쌍 사이의 측정값을 이용해 원치 않는 위상 간섭을 보정할 수 있다.

JST 문샷 목표 6의 실리콘 양자컴퓨팅 프로젝트 책임자인 세이고 타루차는 장기 목표를 다음과 같이 밝혔다.

장기 목표는 실리콘 스핀 큐비트 기반의 내결함성 양자컴퓨터를 구축하는 것이며, 신뢰할 수 있는 병렬 제어는 그 목표를 향한 필수 단계입니다.

핵심 내용

• 리켄과 공동 연구진은 공용 마이크로파 선 하나로 실리콘 스핀 큐비트 5개를 제어했다.
• 개별 게이트 충실도는 99.99%를 넘었고, 일부는 99.999%에 근접했다.
• 큐비트 최대 3개를 동시에 작동해도 충실도는 99.99%를 넘었으며, 5개를 모두 작동했을 때는 약 99.9% 이상을 기록했다.
• 쌍별 보정으로 AC 스타크 효과에 따른 원치 않는 위상 변화를 상쇄했다.
• 큐비트 5개를 모두 작동할 때는 마이크로파 출력 증가로 결맞음 저하가 발생해 소자 개선이 다음 기술 과제로 남았다.
• 연구는 2026년 10월 15일 네이처 피직스에 게재됐다.