구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI) 연구팀은 기존의 정적 방식에서 벗어나 회로 구조를 유연하게 변경하는 '동적 표면 코드(Dynamic Surface Codes)'를 성공적으로 시연했습니다. 이 방식은 더 적은 수의 커플러를 사용하면서도 리크(leakage)와 같은 상관 오류를 효과적으로 억제하며, 다양한 종류의 양자 게이트를 활용할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이번 연구 결과는 하드웨어 설계의 복잡성을 낮추면서도 논리적 큐비트의 안정성을 비약적으로 높일 수 있음을 입증하여 실용적인 양자 컴퓨팅 구현을 위한 새로운 경로를 제시했습니다.

동적 표면 코드와 시공간적 감지 영역의 변화

양자 오류 정정(QEC)은 물리적 오류가 논리적 정보에 영향을 주지 않도록 오류를 '감지 영역(detecting region)' 안에 국소화하는 것이 핵심입니다.
기존의 정적 회로는 매 사이클마다 동일한 물리적 연산과 타일링 구조를 반복하지만, 동적 회로는 매 사이클마다 감지 영역의 타일링 형상을 동적으로 변경합니다.
이러한 유연성은 특정 큐비트나 커플러가 작동하지 않는 '드롭아웃(dropout)' 상황을 우회하게 해주며, 하드웨어 제약 조건 속에서도 최적의 오류 정정 성능을 유지하게 합니다.

육각형 격자 구조를 통한 하드웨어 설계 최적화

기존 사각형 격자 구조는 큐비트당 4개의 커플러가 필요하지만, 동적 회로를 적용하면 큐비트당 3개의 커플러만 사용하는 육각형 격자에서도 QEC를 수행할 수 있습니다.
구글의 윌로우(Willow) 프로세서에서 실험한 결과, 육각형 코드는 기존 정적 회로와 대등한 수준의 오류 억제 성능(코드 거리 3에서 5로 확장 시 오류율 2.15배 개선)을 보여주었습니다.
커플러 수를 줄이면 칩 제조 및 제어 복잡도가 낮아지며, 시뮬레이션상으로는 최적화 알고리즘의 효율성이 높아져 오류 억제 인자가 약 15% 향상되는 효과를 거둘 수 있습니다.

리크 오류 억제를 위한 '워킹' 회로와 iSWAP 게이트 활용

측정 큐비트의 위치를 매 사이클마다 이동시키는 '워킹(walking)' 방식을 도입하여, 계산 공간을 벗어나는 리크 현상과 상관 오류가 누적되는 것을 방지했습니다.
표준적인 CZ 게이트 외에도 iSWAP과 같은 비표준적 2-큐비트 얽힘 게이트를 사용하는 동적 회로를 시연함으로써 하드웨어 특성에 맞는 다양한 게이트 선택권을 확보했습니다.
이러한 기법들은 물리적 큐비트의 결함을 보완하고, 더 정교한 오류 정정 아키텍처를 설계할 수 있는 기술적 토대가 됩니다.

동적 표면 코드는 고정된 하드웨어 구조에 소프트웨어를 맞추는 것이 아니라, 오류 정정 알고리즘에 맞춰 하드웨어 운용 방식을 유연하게 최적화할 수 있음을 보여줍니다. 특히 육각형 격자 구조의 채택은 칩의 배선 복잡도를 획기적으로 줄여주므로, 향후 수천 개 이상의 큐비트를 포함하는 대규모 양자 프로세서를 설계할 때 핵심적인 전략이 될 것으로 권장됩니다.