기업들이 양자 컴퓨터를 만들기 위해 달려가고 있습니다. 누가 이기고 있는지 어떻게 알 수 있을까요? 가장 중요한 지표 중 하나는 충실도라고 합니다.
양자 컴퓨터는 세 가지에 능숙해야 합니다:
- 단일 큐비트 게이트: 한 큐비트 회전.
- 두 큐비트 게이트: 두 큐비트를 함께 얽힘.
- 측정: 답 읽기.
각각은 자체 충실도를 얻습니다. 세 가지 모두 다룰 것입니다.
단일 큐비트 충실도
단일 큐비트 게이트는 양자 상태의 회전입니다. 단일 큐비트 충실도를 설명하는 가장 간단한 방법:
양자 컴퓨터가 180° 회전을 시도하면, 얼마나 가까워질까요?
블로흐 구에서 이를 직접 그릴 수 있습니다. 큐비트는 북극에서 시작합니다. 완벽한 180° 회전은 정확히 남극에 안착합니다. 약간 잘못된 회전은 살짝 못 미친 곳에 안착합니다.
이온 트랩 예시
구체적으로 봅시다. 이온 트랩 양자 컴퓨터에서 게이트는 짧은 시간 동안 전자 큐비트에 레이저를 쏴서 수행되는데, 이를 펄스라고 합니다.
레이저가 켜지면 양자 상태가 회전하기 시작합니다. 레이저가 꺼지면 회전이 멈춥니다.
세 가지 요인이 상태가 어디에 안착할지 결정합니다:
- 레이저의 출력이 회전 속도를 결정합니다.
- 펄스 길이가 회전 정도를 결정합니다.
- 레이저 주파수가 회전 축을 결정합니다. 주파수가 큐비트의 “전이 주파수”에 가까울수록 축은 x축에 더 가깝습니다.
x축을 중심으로 완벽한 180° 회전(X 게이트)을 하려면 세 가지 모두 동시에 거의 완벽해야 합니다. 실제 하드웨어에서는 어느 것도 완벽하지 않습니다.
실제로 어떻게 측정되는가
실제로 충실도가 어떻게 측정되는지에 대한 두 가지 추가 세부 사항.
판독. 회전된 상태를 위/아래 기저에서 측정하면 완벽한 180° 회전은 매번 아래가 나와야 한다는 뜻입니다. 회전이 완벽하지 않으면 가끔 위가 나옵니다. 그래서 셉니다: 10,000번의 샷 중 몇 퍼센트가 아래로 나왔을까요? 그 퍼센트가 우리의 충실도입니다.
모든 축. 회사들은 X만 테스트하지 않습니다. 일부 하드웨어는 한 축을 중심으로 회전하는 데 능숙하지만 다른 축에서는 더 나쁩니다. 생산 벤치마크는 게이트의 전체 품질을 나타내는 단일 숫자를 얻기 위해 넓은 무작위 회전 집합에 대해 평균 충실도를 사용합니다(이 기법을 무작위화된 벤치마킹이라고 합니다).
두 큐비트 충실도
두 큐비트 충실도는 모든 양자 컴퓨팅에서 가장 중요한 단일 지표입니다.
단일 큐비트 충실도와 같은 방식으로 측정되지만, 이제 우리는 양자 얽힘을 만드는 게이트를 테스트하고 있습니다. 예를 들어: |00⟩에서 시작해 양자 컴퓨터가 벨 상태 (|00⟩ + |11⟩)/√2를 얼마나 완벽하게 만들 수 있을까요? |01⟩ 또는 |10⟩이 한 번이라도 판독되면 충실도가 낮은 것입니다.
|+⟩|0⟩ produces a clean Bell state: the red and blue worlds split cleanly on both spheres. An imperfect one leaves residual overlap, which is exactly what shows up as 01 or 10 outcomes you weren't supposed to get.두 큐비트 충실도가 그렇게 중요한 이유: 두 큐비트 게이트는 역사적으로 끔찍합니다. 현대 양자 컴퓨터는 99.9% 정도에 있으며, 최고의 시연은 2025년에 99.99%를 막 넘었습니다. 99.9%에서도 게이트당 ~0.1%의 오류 확률입니다. 천 개의 게이트로 회로를 실행하면 오류가 누적되어 엉망이 됩니다.
큰 보상: 오류 정정은 많은 불완전한 물리 큐비트를 하나의 견고한 논리 큐비트로 묶습니다. 약 99%의 물리 충실도 임계값을 넘으면 오류가 누적되는 것이 아니라 적극적으로 억제됩니다. Google이 2024년에 이를 시연했습니다. 단점은 오류 정정이 (합리적인 큐비트 수 오버헤드로) 실용적이 되려면 현재 선두 하드웨어가 있는 99.9% – 99.99% 범위에 편안히 들어와야 한다는 것입니다.
이것이 기업들이 마지막 몇 소수점 자리를 향해 달리는 이유입니다. Oxford Ionics는 2024년에 99.97%로 이전 기록을 보유했고 2025년에 IonQ에 인수되었습니다. 2025년 말, 합쳐진 팀은 처음으로 99.99% 두 큐비트 충실도를 넘은 최초가 되었습니다.
측정 충실도
큐비트를 완벽하게 회전시키고 흠 없이 얽히게 한 후에도, 결과를 판독해야 합니다.
측정 충실도는 검출기가 올바른 결과를 보고할 확률입니다. 가끔 큐비트는 정말로 |1⟩로 붕괴되지만 검출기는 |0⟩을 보고합니다. 판독 충실도 또는 공식적으로 SPAM(state preparation and measurement)이라고도 합니다. 두 가지는 보통 함께 묶입니다. 둘 다 양자와 고전 사이의 경계에서 오류에 기여하기 때문입니다.
|+⟩ and measured. The perfect detector always reports the true outcome. The noisy detector flips the answer one time in four: same physical collapse, wrong readout.현대 초전도 검출기는 일반적으로 98~99%에 도달합니다. 이온 트랩과 중성 원자 판독은 99.9%를 넘을 수 있습니다.
오늘의 리더보드
양자 컴퓨터 레지스트리에서 실시간으로 가져온, 발표된 두 큐비트 충실도 기준 상위 가동 양자 컴퓨터:
| 시스템 | 벤더 | 2큐비트 | 1큐비트 |
|---|---|---|---|
| Helios | Quantinuum | 99.92% | 100.00% |
| Tempo | IonQ | 99.90% | 99.99% |
| 11-qubit atomic-precision processor | Silicon Quantum Computing (SQC) | 99.90% | 해당 없음 |
| Willow | Google Quantum AI | 99.88% | 99.97% |
| Sqale | Infleqtion | 99.73% | 해당 없음 |
| Orion Gamma | Pasqal | 99.70% | 99.90% |
숫자는 벤더가 발표한 것입니다. 제3자 벤치마크가 다를 경우 레지스트리는 불일치를 기록합니다. 출처와 시스템별 세부 정보는 전체 레지스트리를 참조하세요.
다음은?
오류 정정 임계값을 넘는 순간이 양자 컴퓨터가 데모이기를 그만두고 기계가 되기 시작하는 순간입니다. 오류 정정에 대한 가이드가 곧 공개됩니다.