과학자들은 레고 블록처럼 조립되는 양자 컴퓨터를 개발했습니다.

엔지니어들은 거의 완벽한 정확도로 연결되는 모듈식 양자 부품을 개발하여 확장 및 재구성이 가능한 양자 시스템의 가능성을 열었습니다. 출처: Shutterstock

아이들의 블록 쌓기와 양자 컴퓨팅의 공통점은 무엇일까요? 바로 모듈성입니다. 과학자들이 양자 컴퓨터를 단일체, 즉 하나의 큰 단위로 만드는 것은 어렵습니다. 양자 컴퓨팅은 큐비트라고 불리는 수백만 개의 정보 단위를 조작하는 데 의존하지만, 이 큐비트들을 조립하는 것은 어렵습니다. 해결책은 무엇일까요? 양자 컴퓨터를 구성하는 모듈식 방법을 찾는 것입니다. 마치 아이들이 플라스틱 블록을 조립하여 더 크고 복잡한 구조를 만드는 것처럼, 과학자들은 더 작고 고품질의 모듈을 조립하고 이를 연결하여 포괄적인 시스템을 만들 수 있습니다.

이러한 모듈형 시스템의 잠재력을 인지한 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 그레인저 공과대학 연구진은 초전도 양자 프로세서를 위한 실행 가능하고 고성능의 모듈형 아키텍처를 시연함으로써 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 대한 향상된 접근 방식을 제시했습니다. Nature Electronics 에 게재된 이 연구는 기존의 모듈형 설계를 확장하여 확장 가능하고 내결함성 있으며 재구성 가능한 양자 컴퓨팅 시스템을 향한 길을 열었습니다.

모놀리식 초전도 양자 시스템은 크기와 충실도에 한계가 있어, 과학자들이 논리 연산을 수행하는 데 있어 성공률을 예측할 수 있습니다. 충실도가 1이면 오류가 없음을 의미하므로, 연구자들은 가능한 한 1에 가까운 충실도를 달성하고자 합니다. 이러한 제한된 모놀리식 시스템과 달리, 모듈식 시스템은 시스템 확장성, 하드웨어 업그레이드, 그리고 가변성 내성을 제공하여 시스템 네트워크 구축에 더욱 매력적인 선택입니다.

"초전도 큐비트의 모듈성을 구현하는 엔지니어링 친화적인 방법을 개발했습니다."라고 이 논문의 수석 저자인 물리학 조교수 볼프강 파프는 말했습니다. "두 큐비트를 함께 조작하여 얽힘이나 게이트 연산을 생성할 수 있는 시스템을 구축할 수 있을까요? 매우 높은 품질로 구현할 수 있을까요? 그리고 분해 후 재조립도 가능한 시스템을 만들 수 있을까요? 일반적으로는 조립한 후에야 문제가 발생했다는 것을 알게 됩니다. 따라서 나중에 시스템을 재구성할 수 있는 기능을 구현하고 싶습니다."

두 장치를 초전도 동축 케이블로 연결하여 모듈 간 큐비트를 연결하는 시스템을 구축함으로써, 파프 연구팀은 약 99%의 SWAP 게이트 충실도를 달성했으며, 이는 1% 미만의 손실률을 의미합니다. 높은 품질을 유지하면서도 케이블을 통해 개별 장치들을 연결하고 재구성할 수 있는 이 기술은 통신 프로토콜 설계 분야에 새로운 통찰력을 제공합니다.

"우리 분야에서 효과적인 접근법을 찾는 데는 시간이 꽤 걸렸습니다."라고 파프는 말했다. "많은 연구팀이 우리가 진정으로 원하는 것은 케이블을 통해 점점 더 큰 것들을 연결하면서도 규모 확장을 정당화할 만큼 충분한 수치에 도달하는 능력이라는 것을 깨달았습니다. 문제는 적절한 도구 조합을 찾는 것이었습니다."

앞으로 Grainger 엔지니어는 확장성에 중점을 두고 오류를 검사하는 기능을 유지하는 동시에 두 개 이상의 장치를 연결하려고 시도할 것입니다.

"우리는 좋은 성과를 거두었습니다." 파프가 말했다. "이제 이 성과를 시험해 봐야 합니다. 정말 잘 진행되고 있는지, 정말 의미가 있는지 말이죠."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250908175454.htm