실리콘 스핀 큐비트는 오랫동안 양자 컴퓨팅의 유망한 우등생이었다. 오늘날 컴퓨터 칩을 찍어내는 것과 동일한 반도체 공정으로 제조할 수 있기 때문이다. 이는 이미 가진 정장을 입고 블랙타이 행사에 나타나는 것과 같은 기술적 요령이다. 물론 문제는 여러 큐비트를 동시에 제어하려고 하면 연산 정확도가 떨어진다는 점이다. 마치 고양이 떼를 몰고 다니는 것과 비슷한데, 그 고양이들이 원자보다 작고 예기치 않게 위상이 바뀌는 경향이 있다면 더욱 그렇다. 실용적인 대규모 양자 컴퓨터를 만들려면 많은 큐비트를 동시에 제어하면서 오류를 최소화해야 하는데, 이는 이 분야의 오랜 숙제인 “그래, 그런데 어떻게?” 문제였다.

RIKEN 창발물질과학센터의 연구진과 협력자들은 이제 이 문제를 해결하는 데 중요한 진전을 이뤘다. 네이처 피직스에 발표된 연구에서 이 팀은 동시에 작동하는 여러 실리콘 스핀 큐비트를 매우 정확하게 제어하는 데 성공했다. 실험에는 공유 마이크로파 제어선에 연결된 5개 큐비트 배열이 사용되었다. 아무래도 양자 비트조차 좋은 공유 자원의 효율성을 인정하는 모양이다. 과학자들은 동시 작동 중 오류의 주요 원인을 규명하고, 그 오류를 줄이면서 정밀도를 유지하는 기법을 개발했다. 큐비트를 가질 수도 있고 동시에 제어할 수도 있다는 것을 입증한 셈이다.

실험을 감독한 공동 제1저자이자 RIKEN 연구원인 레온 카멘진트는 그 의미를 이렇게 설명했다. “이는 여러 큐비트가 동시에 작동할 때도 고충실도 제어가 유지될 수 있음을 보여주며, 실리콘 기반 양자 프로세서를 확장하는 데 중요한 발걸음입니다.” 이는 과학자 말투로 “우리가 해냈고, 이건 대단한 일”이라는 뜻이다.

정보를 0 또는 1을 나타내는 비트로 저장하는 기존 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 두 상태의 조합으로 존재할 수 있는 양자 비트, 즉 큐비트를 사용한다. 근본적으로 유용한 방식으로 우유부단할 수 있는데 왜 하나를 선택하겠는가? 실리콘 스핀 큐비트는 실리콘 내에 갇힌 개별 전자의 스핀을 이용해 이 정보를 저장한다. 신뢰할 수 있는 양자 계산을 수행하려면 이러한 전자 스핀을 극도로 정밀하게 제어해야 하는데, 유아들로 가득한 방의 양자적 등가물을 다루고 있다면 말처럼 쉽지 않다.

마이크로파 신호가 그 제어를 제공하지만, 여러 큐비트를 동시에 작동하면 정확도를 방해하는 원치 않는 효과가 생길 수 있다. 연구진은 이 문제의 상당 부분을 AC 스타크 이동(AC Stark shift)이라는 현상으로 추적했다. 이 효과는 마이크로파 제어 신호가 큐비트의 유효 에너지 준위를 바꾸어 양자 상태의 위상에 변화를 일으킬 때 발생한다. 이러한 위상 이동은 특히 여러 큐비트를 동시에 제어할 때 개별 큐비트의 의도된 작동을 방해할 수 있다. 양자 주방에 요리사가 너무 많은 전형적인 사례다.

문제에 맞서기 위해 팀은 이러한 원치 않는 이동을 보상하는 보정 방법을 만들었다. 가능한 모든 큐비트 조합을 개별적으로 보정하는 대신, 이 기법은 큐비트 쌍 사이에서 수행된 보정에 의존한다. 이는 더 많은 수의 양자 비트를 포함하는 시스템에 더 실용적인 접근법이다. “가능한 모든 큐비트 조합에 대해 완전히 별도의 보정 절차를 요구하는 대신, 우리의 방법은 큐비트 쌍 간의 보정을 사용해 원치 않는 위상 이동을 보상합니다.”라고 박사 과정 연구의 일환으로 실험을 수행한 제1저자 이현신(우이시엔)은 설명했다. 다시 말해, 그들은 같은 지루한 작업을 끝없이 반복하지 않을 방법을 찾았으니, 이는 효율성과 우이시엔의 정신 건강 모두에 승리다.

연구진은 보정 기법을 개선된 소자 설계와 결합하고 마이크로파 제어 펄스를 신중하게 조정했다. 그 결과 여러 큐비트가 동시에 작동할 때도 예외적으로 높은 정확도를 유지할 수 있음을 보여주었다.