양자컴퓨터는 이론적으로 현재의 슈퍼컴퓨터보다 연산 성능이 뛰어나지만 실제 구현을 위한 가장 큰 과제 중 하나는 오류를 줄이고 확장 가능한 하드웨어를 만드는 것이다.양자 정보를 저장하고 처리하는 기본 단위 큐비트는 환경에 민감해 오류가 쉽게 발생한다.

이를 해결하기 위해 많은 연구진이 오류 저항성(fault-tolerant) 큐비트를 구현하기 위한 노력을 지속해왔다. 특히 광자 기반(포토닉) 양자컴퓨터는 실온에서도 작동 가능하고, 광섬유 네트워크를 통해 확장이 용이하다는 장점이 있어 차세대 양자컴퓨팅 구조로 주목받고 있다.

포토닉 양자컴퓨터를 개발하는 캐나다 기업 자나두(Xanadu)가 오류에 강한 광자 큐비트를 생성하는 데 성공했다고 밝혔다. 

오류 방지 양자 상태 구현

자나두의 이번 기술은 ‘오류 저항성 광자 큐비트’를 통합 칩 플랫폼 상에서 구현한 사례다. 실리콘 기반 포토닉 칩을 활용해, 확장 가능한 양자 하드웨어의 핵심인 GKP 상태(Gottesman-Kitaev-Preskill states)를 생성한다. GKP 상태는 내결함성 양자 컴퓨터 구현에 필수적인 기술로, 비교적 간단한 논리 연산과 오류 수정을 실온에서 가능하게 한다. 또한 결정론적 방식으로 생성되며, 표준 광섬유를 통한 칩 간 네트워킹에도 적합한 형태다.

이러한 상태는 실온에서 작동 가능하고, 결정론적(deterministic) 방식으로 논리 연산을 수행할 수 있으며, 표준 광섬유 연결을 통해 칩 간 네트워크 구성에도 적합하다.

이 기술은 자나두가 최근 발표한 오로라(Aurora) 시스템을 기반으로 한다. 오로라는 모듈형·네트워크형·확장형 양자컴퓨터 구현에 필요한 주요 요소를 모두 포함한 사례로 평가받은 바 있다.

성능 개선을 이끈 핵심 기술 요소

자나두는 이번 시연 성공으로 ▲99% 이상의 검출 효율을 가진 광자 수 분해 검출기(photon-number-resolving detector) 개발 ▲300mm 웨이퍼 플랫폼 상에서 초저손실 실리콘 나이트라이드(silicon nitride) 도파관(waveguide)의 맞춤형 제작 ▲자사 내에서 구현한 최첨단 광학 패키징(optical packaging) 적용의 기술적 진보를 이뤘다.  이 모든 기술적 요소들이 결합돼 고품질 GKP 상태 생성이 가능해졌다.

자나두는 다음 과제로는 광학 손실을 더욱 줄여 완전한 오류 내성(fault-tolerant)을 갖춘 GKP 상태 구현을 목표로 삼고 있다. 이를 위해 자나두는 칩 제조 공정과 포토닉 패키징 공정의 최적화를 지속할 계획이다.

자나두 재커리 버넌(Zachary Vernon) 최고하드웨어책임자(CTO)는 “GKP 상태는 실온에서 간단하고 결정론적인 연산으로 논리 게이트와 오류 보정이 가능한 사실상 최적의 광자 큐비트”라며 “이번 성과는 칩 제작, 구성요소 설계, 검출기 효율 등에서의 최근 성능 개선이 실질적으로 입증된 중요한 이정표”라고 말했다.