번개보다 더 날카로운: 옥스포드 대학의 670만분의 1 확률로 달성되는 양자 획기적 발견

옥스퍼드 대학교 연구팀의 이온 트랩 칩 렌더링. 사진 제공: 요헨 울프 박사, 톰 하티 박사

옥스퍼드 대학교 물리학자들이 단일 양자 비트 제어 정확도에 대한 새로운 글로벌 벤치마크를 수립하여, 양자 논리 연산 사상 최저 오류율인 0.000015%, 즉 670만 건의 연산 중 단 한 건의 오류 발생률을 달성했습니다. 이 기록적인 결과는 10년 전 같은 연구팀이 세웠던 이전 벤치마크보다 거의 10배 향상된 수치입니다.

결과를 좀 더 이해하기 쉽게 설명하자면, 어떤 사람이 특정 해에 번개에 맞을 확률(120만 분의 1)은 옥스포드의 양자 논리 게이트가 실수를 할 확률보다 더 높습니다.

Physical Review Letters 에 게재된 연구 결과는 견고하고 유용한 양자 컴퓨터를 개발하는 데 있어 큰 진전입니다.

"우리가 아는 한, 이는 전 세계에서 기록된 가장 정확한 큐비트 연산입니다."라고 옥스퍼드 대학교 물리학과의 논문 공동 저자인 데이비드 루카스 교수는 말했습니다. "실제 문제를 해결할 수 있는 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요한 진전입니다."

양자 컴퓨터에서 유용한 계산을 수행하려면 수백만 개의 연산을 수많은 큐비트에 걸쳐 실행해야 합니다. 즉, 오류율이 너무 높으면 최종 계산 결과가 무의미해집니다. 오류 수정을 통해 오류를 수정할 수 있지만, 이를 위해서는 훨씬 더 많은 큐비트가 필요합니다. 이 새로운 방법은 오류를 줄임으로써 필요한 큐비트 수를 줄이고, 결과적으로 양자 컴퓨터 자체의 비용과 크기를 줄입니다.

공동 주저자인 몰리 스미스(옥스퍼드 대학교 물리학과 대학원생)는 "이 연구는 오류 발생 가능성을 획기적으로 줄임으로써 오류 수정에 필요한 인프라를 크게 줄여 미래의 양자 컴퓨터가 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적으로 발전할 수 있는 길을 열어줍니다. 큐비트의 정밀한 제어는 시계나 양자 센서와 같은 다른 양자 기술에도 유용할 것입니다."라고 말했습니다.

이 전례 없는 수준의 정밀도는 포획된 칼슘 이온을 큐비트(양자 비트)로 사용하여 달성되었습니다. 이는 긴 수명과 견고성 덕분에 양자 정보를 저장하는 데 자연스러운 선택입니다. 레이저를 사용하는 기존 방식과 달리, 옥스퍼드 연구팀은 전자(마이크로파) 신호를 사용하여 칼슘 이온의 양자 상태를 제어했습니다.

이 방법은 레이저 제어보다 안정성이 뛰어나며, 실용적인 양자 컴퓨터 구축에 다른 이점도 있습니다. 예를 들어, 전자 제어는 레이저보다 훨씬 저렴하고 견고하며, 이온 트래핑 칩에 통합하기가 더 쉽습니다. 더욱이, 이 실험은 실온에서 자기 차폐 없이 수행되어 작동하는 양자 컴퓨터에 필요한 기술적 요구 사항을 단순화했습니다.

옥스포드 팀이 2014년에 달성한 이전 최고 단일 큐비트 오류율은 100만 분의 1이었습니다. 이 팀의 전문성은 2019년 스핀아웃 회사인 옥스포드 아이오닉스(Oxford Ionics)의 출범으로 이어졌고, 이 회사는 고성능 트랩 이온 큐비트 플랫폼 분야의 확고한 선두주자로 자리매김했습니다.

이 기록적인 결과는 중요한 이정표이지만, 연구팀은 이것이 더 큰 과제의 일부라고 경고합니다. 양자 컴퓨팅은 단일 큐비트 게이트와 두 큐비트 게이트가 함께 작동해야 합니다. 현재 두 큐비트 게이트는 오류율이 훨씬 더 높습니다. 현재까지 가장 우수한 성능을 보인 실험에서도 약 2000분의 1에 달합니다. 따라서 이러한 오류율을 줄이는 것이 완전한 내결함성 양자 머신을 구축하는 데 매우 중요합니다.

실험은 옥스퍼드 대학교 물리학과의 몰리 스미스, 에런 루, 마리오 겔리 박사, 데이비드 루카스 교수가 수행했으며, 오사카 대학교 양자 정보 및 양자 생물학 센터의 방문 연구원인 미야니시 고이치로 박사도 함께 참여했습니다.

옥스퍼드 과학자들은 현재 진행 중인 영국 국가 양자 기술 프로그램의 일부인 영국 양자 컴퓨팅 및 시뮬레이션(QCS) 허브에 참여하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250610074301.htm