옥스퍼드 과학자들, 양자 오류를 사상 최저 수준으로 감소

양자기술에 대한 관심이 커지고 있지만 시장 규모 전망은 조사기관의 가정에 따라 크게 달라진다. 양자컴퓨팅은 양자역학적 현상을 이용해 특정 종류의 계산을 수행한다. 기존 컴퓨터의 비트가 0 또는 1의 값을 갖는 것과 달리 큐비트는 양자상태를 이용한다. 큐비트를 구현하는 방법에는 초전도 회로, 이온 트랩, 광자, 반도체 등이 있으며 각 방식에는 장점과 어려움이 있다.

실용적인 양자컴퓨터를 만들려면 큐비트를 많이 확보하는 것만으로는 부족하다. 계산 과정에서 생기는 오류를 낮추고, 서로 다른 큐비트 사이의 연산을 안정적으로 수행하며, 필요한 경우 오류 정정에 쓸 여분의 물리적 큐비트를 마련해야 한다. 이런 이유로 연산의 정확도는 칩의 큐비트 수만큼 중요하다.

신뢰할 수 있는 양자컴퓨터를 향하여

물리적 큐비트는 실제 장치에 구현된 큐비트이며, 논리적 큐비트는 여러 물리적 큐비트와 오류 정정 절차를 이용해 정보를 더 안정적으로 표현한 것이다. 물리적 오류율이 높으면 논리적 큐비트 하나를 유지하는 데 더 많은 자원이 필요하다. 따라서 연구진은 오류 정정 방식과 개별 게이트의 정확도를 함께 개선하고 있다.

구글 (GOOG )은 2024년 말 Willow 초전도 칩의 오류 정정 연구를 발표했다. 연구진은 실험한 범위에서 코드의 크기를 키울수록 논리적 오류를 낮출 수 있음을 보였다. 이는 오류 정정의 중요한 진전이지만, Willow가 이미 상용 문제를 해결하는 범용 양자컴퓨터라는 뜻은 아니다. 무작위 회로 샘플링 성능 역시 특정 벤치마크의 결과이며 일반적인 컴퓨팅 성능과 동일하게 해석해서는 안 된다.

마이크로소프트 (MSFT )은 2025년 2월 Majorana 1 프로세서와 위상 큐비트 개발 계획을 공개했다. 알루미늄과 인듐비소를 결합한 장치를 냉각하고 자기장으로 조절해 필요한 상태를 구현하려는 접근이다. 회사는 장기적으로 큰 규모로 확장할 수 있는 설계를 목표로 제시했다. ‘100만 큐비트’는 당시 칩에서 입증된 큐비트 수가 아니라 향후 확장 목표다.

아마존의 AWS도 초전도 회로를 사용하는 Ocelot 칩을 소개했다. 이 설계는 데이터 큐비트와 오류 감지·안정화 요소를 결합해 오류 정정에 필요한 자원을 줄이려는 연구다. 회사가 제시한 비용 절감률은 예상되는 설계상 이점으로 봐야 하며, 완전한 내결함성 양자컴퓨터가 구현되었다는 뜻은 아니다.

오류율을 낮추기 위한 여러 접근

MIT 연구진은 플럭소늄이라는 초전도 큐비트로 긴 결맞음 시간과 높은 게이트 충실도를 연구했다. 결맞음 시간이 길면 양자정보가 환경에 의해 손상되기 전에 연산을 수행할 여유가 늘어난다. 연구진이 보고한 단일·2큐비트 게이트의 높은 정확도는 유망하지만, 소수 큐비트의 실험 결과를 대규모 시스템 전체 성능으로 곧바로 확대할 수는 없다.

다른 MIT 연구는 마이크로파 광자와 인공 원자의 강한 비선형 결합을 통해 양자정보의 판독과 처리를 빠르게 할 가능성을 살폈다. 빠른 측정은 반복적인 오류 정정에 도움이 될 수 있다. 미국 국립표준기술연구소(NIST), 페르미연구소의 SQMS 센터 등도 큐비트 제작 공정과 판독 공진기를 개선해 결맞음 시간을 높이는 연구를 진행했다. 서로 다른 플랫폼의 수치를 비교할 때는 측정 방법과 연산 종류가 같아야 한다.

옥스퍼드가 기록한 단일 큐비트 연산 정확도

옥스퍼드대학교 연구진은 2025년 6월 Physical Review Letters에 발표한 논문에서 이온 트랩의 단일 큐비트 게이트 오류율을 크게 낮췄다. 논문이 보고한 최소 오류는 클리퍼드 게이트당 1.5(4) × 10⁻⁷이다. 중심값으로 환산하면 약 670만 번의 연산에 오류 1번, 백분율로는 약 0.000015%에 해당한다. 괄호 안의 4는 측정 불확실도를 나타내므로 이 수치를 절대적인 무오류 보장으로 읽어서는 안 된다.

연구진은 칼슘-43 이온(⁴³Ca⁺) 하나를 큐비트로 사용했다. 큐비트는 미세 제작된 표면 전극 트랩 위에 잡혀 있었고, 칩에 통합된 마이크로파 공진기로 상태를 제어했다. 레이저에 의존하는 일반적인 이온 제어 방식과 달리 전자적 마이크로파 신호를 사용한 것이다. 실험은 자기 차폐 없이 실온의 트랩 환경에서 수행됐다. 이온 자체가 실온에 있었다는 의미는 아니다.

게이트 시간은 약 4.4~35마이크로초 범위에서 조사됐다. 연구진은 자동 보정을 통해 마이크로파 진폭과 주파수 어긋남을 조절했고, 펄스 형태와 에너지 준위의 분리를 최적화해 원치 않는 전이를 줄였다. 논문은 남아 있는 주요 오차 원인으로 결맞음 손실, 계산 공간 밖의 상태로 빠지는 현상, 측정 오류 등을 제시했다.

옥스퍼드 팀은 2014년에도 이온 큐비트에서 약 100만 번의 단일 큐비트 연산에 오류 1번 수준을 보고한 바 있다. 이번 결과는 그보다 낮은 오류율을 달성한 것이다. 낮은 오류율은 오류 정정에 필요한 자원을 줄일 가능성이 있으며, 양자센서나 정밀 시계, 다른 큐비트를 보호하는 제어 방식에도 활용될 수 있다.

그러나 실용적인 계산에는 정확한 단일 큐비트 게이트뿐 아니라 2큐비트 게이트, 측정, 연결 및 대규모 오류 정정이 모두 필요하다. 이 연구의 기록을 전체 양자컴퓨터가 같은 오류율로 작동한다는 주장으로 확대해서는 안 된다. 연구진 역시 다수 큐비트 간 연산의 오류가 여전히 중요한 과제라고 설명했다.

옥스퍼드의 연구와 연관된 Oxford Ionics는 이온 트랩 기술의 상용화를 추진했다. 2025년 6월 IonQ (IONQ )는 약 10억 7,500만 달러 규모로 회사를 인수하는 계약을 발표했다. 이는 당시 발표된 계약 금액이며 연구 성과 자체의 가치나 양자컴퓨터의 상용화가 입증되었다는 의미는 아니다.

양자컴퓨팅 관련 기업

IBM

IBM은 오랫동안 양자 하드웨어와 소프트웨어를 연구해 왔다. 2016년에는 클라우드를 통해 양자 프로세서에 접근할 수 있는 IBM Quantum Experience를 공개했다. 이후 오류 정정과 시스템 통합을 위한 개발 계획을 이어가고 있다.

IBM은 2025년 6월 발표에서 2029년까지 200개의 논리적 큐비트와 1억 개의 양자 게이트를 실행할 수 있는 Starling 시스템을 구축하겠다는 목표를 제시했다. 뉴욕주 포킵시에 조성 중인 양자 데이터센터에 설치할 계획이다. 이는 기업의 로드맵이며 당시 이미 완성된 장치의 성능은 아니다.

IBM은 양자컴퓨팅 외에도 소프트웨어, 하이브리드 클라우드, 인공지능, 컨설팅 등 여러 사업을 운영한다. 원문에 제시된 특정일의 주가, 시가총액, 주가수익비율과 배당수익률은 시간이 지나면 변하므로 여기서는 고정된 현재 수치로 제시하지 않는다. 양자 연구의 기술적 성과가 곧바로 주식의 투자성과를 보장하지도 않는다.

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결론: 다음 단계는 시스템 전체의 신뢰성

옥스퍼드의 결과는 단일 큐비트 연산의 오류를 크게 줄일 수 있음을 보여준다. 구글, 마이크로소프트, 아마존, MIT 및 IBM의 연구는 서로 다른 기술적 문제를 겨냥한다. 실용적인 내결함성 양자컴퓨터를 만들려면 정확한 게이트를 더 많은 큐비트에 확장하고, 측정·연결·오류 정정을 한 시스템에서 안정적으로 결합해야 한다. 그 시기와 상업적 가치는 아직 확정되지 않았다.

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참고 연구

1. Google Quantum AI 외, Nature 638, 920–926 (2025). doi:10.1038/s41586-024-08449-y.

2. Bal, M. 외, SQMS Nanofabrication Taskforce 보고서 (2024). doi:10.2172/2462792.

3. Smith, M. C. 외, “Single-Qubit Gates with Errors at the 10⁻⁷ Level”, Physical Review Letters 134, 230601 (2025). doi:10.1103/42w2-6ccy.

4. Harty, T. P. 외, Physical Review Letters 113, 220501 (2014). doi:10.1103/PhysRevLett.113.220501.