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- 새로운 기록적인 배열은 레이저 격자 내 중성 세슘 원자로 구성
- 최대 13초 동안 중첩 상태를 유지하고 99%의 높은 정밀도로 제어 가능
- 원자 수를 늘리면 정확도가 떨어진다고 생각하는 경우가 많지만, 이번 연구 결과는 두 가지 모두 가능하다는 것을 보여

6,100 큐비트를 가진 최초의 양자 시스템
원자 큐비트 배열, 확장성과 정밀도 입증

큐비트 기록:
미국 물리학자들이 최초로 6,100개의 원자 양자비트를 가진 안정적인 양자 시스템을 개발해 기술의 확장성을 입증했다. 이 새로운 기록적인 배열은 레이저 격자 내 중성 세슘 원자로 구성되어 있으며, 최대 13초 동안 중첩 상태를 유지하고 99%의 높은 정밀도로 제어할 수 있다. 연구팀은 "네이처"에 발표한 논문에서 이러한 사실이 효율적인 오류 수정 기능을 갖춘 실질적으로 사용 가능한 양자 컴퓨터의 중요한 전제 조건이라고 밝혔다. 

▲ 물리학자들은 최초로 중성 원자로부터 6,100개의 양자 비트를 생성하고 23분 동안 유지했다. © Caltech/ Lance Hayashida

양자 컴퓨터는 미래의 컴퓨터로 여겨지지만, 어떤 양자 구조가 가장 적합하고 확장성이 있는지에 대한 논쟁이 있다. 실제 적용을 위한 전제 조건은 충분히 많은 양자비트, 낮은 오류율, 그리고 가능한 한 긴 결맞음 시간(큐비트가 양자 얽힘과 중첩 상태를 유지하는 시간)이다.

하지만 다음과 같은 문제가 있다. "긴 결맞음 시간, 낮은 손실, 그리고 고정밀 이미징을 갖춘 수천 개의 원자 큐비트로 확장하는 것은 엄청난 과제다"고 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 한나 마네치(Hannah Manetsch)와 그녀의 동료들은 설명했다.
"가장 자원 효율적인 프로토콜조차도 100개 미만의 논리 큐비트를 인코딩하기 위해 0.001 미만의 오류율로 작동하는 수천 개의 물리적 큐비트가 필요하다." 지금까지 초전도 전하점으로 구성된 양자비트를 사용하는 컴퓨터가 이 측면에서 우위를 점해 왔다.

6,100개의 원자 큐비트

이제 원자를 사용하는 양자 컴퓨터의 새로운 확장 기록이 세워졌다. 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)의 한나 마네치(Hannah Manetsch)와 그녀의 동료들은 6,100개의 원자 큐비트로 구성된 최초의 양자 컴퓨터를 개발했다. 이 큐비트 배열은 오류 정정을 포함한 여러 논리 양자 게이트를 하나의 시스템에 구현할 수 있을 만큼 크다. "따라서 우리는 여러 측면에서 기존 시스템을 능가하고 있다"고 연구팀은 설명했다.

▲ 이 이미지는 큐비트 배열의 레이저 격자에 있는 6,100개의 세슘 원자를 보여준다. 전체 원의 크기는 약 1mm이다. © Caltech/ Endres Lab

기록적인 크기의 큐비트 격자가 작동하는 이유는 사용된 적외선 레이저가 레이저 집게 역할을 하기 때문이다. 약 1만2000개의 부분 빔으로 분할된 레이저는 개별 세슘 원자가 상온 진공 챔버에 떠 있는 개별 광학 케이지를 생성한다. 마네치는 "우리는 각 큐비트를 화면에서 작은 빛점으로 볼 수 있다"고 말했다.
기록적인 중첩 및 높은 정밀도

하지만 더 중요한 것은 이 양자 시스템의 확장이 품질 저하를 초래하지 않는다는 것이다. 실험 결과에서 알 수 있듯이, 단일 배열에 6천 개가 넘는 큐비트가 있음에도 불구하고 마네치와 동료들은 원자를 약 13초 동안 중첩 상태로 유지하는 데 성공했다. 이는 유사한 배열보다 거의 10배 더 긴 시간이며, 광학 격자 내 초미세 큐비트의 기록이라고 연구팀은 설명했다.

물리학자들은 또한 개별 큐비트를 99.98%의 정확도로 읽고 조작할 수 있었다. "사람들은 원자 수를 늘리면 정확도가 떨어진다고 생각하는 경우가 많지만, 이번 연구 결과는 두 가지 모두 가능하다는 것을 보여준다"고 마네치의 동료인 교헤이 노무라는 말했다. "큐비트는 충분한 품질이 없으면 사용할 수 없다. 이제 우리는 양과 질을 모두 갖추었다.“

"중성 원자를 가진 양자 컴퓨터의 흥미로운 순간"

연구진은 또한 원자 큐비트를 원자의 중첩 상태를 잃지 않고 배열 전체에서 수백 마이크로미터 이동시킬 수 있음을 보여주었다. 물리학자들은 큐비트를 이동할 수 있는 능력이 중성 원자를 가진 양자 컴퓨터에 매우 중요하다고 설명했다. 초전도 큐비트와 같은 기존의 하드와이어드 플랫폼에 비해 더욱 효율적인 오류 수정이 가능하기 때문이다.

"중성 원자를 가진 양자 컴퓨터에 있어 흥미로운 순간이다"며 "우리는 오류가 수정된 대규모 양자 컴퓨터로 가는 길을 보고 있다. 이제 구성 요소가 마련되었다"고 수석 저자인 마누엘 엔드레스(Manuel Endres)는 말했다. 연구팀은 수만 개의 물리적 큐비트와 양자 오류 수정을 갖춘 범용 양자 컴퓨터가 가까운 미래에 가능할 것이라고 밝혔다.

참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09641-4
출처: California Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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