단 하나의 포획 이온으로 양자 컴퓨팅의 두 가지 난제를 동시에 해결한 옥스퍼드 대학교

이 성과가 중요한 이유. 쿼드스퀴징은 표준 양자 한계를 훨씬 더 큰 폭으로 극복할 수 있게 해주어 양자 계측에 훨씬 예민한 손잡이를 제공한다. 또한 결함 허용 양자 컴퓨팅과 차세대 센서의 기본 구성 요소가 될 복잡한 양자 상태를 설계하는 새로운 통로를 열어준다 .

이상한 낱낱으로 지은 슈뢰딩거의 고양이

두 번째 돌파구는 2026년 6월 피지컬 리뷰 X를 통해 공개되었다. 흔히 슈뢰딩거 고양이 상태라고 불리는 양자 중첩 상태는 보통 고전적 궤도와 가장 유사한 결맞음 상태(코히어런트 상태)라는 파동 묶음으로 조립된다. 옥스퍼드 연구팀은 여기서 완전히 다른 질문을 던졌다. “중첩을 이루는 각 부분 자체가 애초에 비고전적인 상태라면 어떨까?”

연구팀은 포획된 단일 이온의 운동 상태를 초정밀하게 프로그래밍하여, 그 구성 요소들 자체가 불확정성이 직관적이지 않은 방식으로 재분배된 조임 상태(스퀴즈드 상태) 인 중첩 상태를 만들어냈다. 이로써 지금까지는 불가능했던 복잡하고 비대칭적인 중첩을 조각하듯 설계할 수 있게 되었다 .

이 방법은 물리학자에게 고양이 상태의 모양과 특성을 프로그램처럼 조절할 수 있는 통제력을 부여한다. 기존의 고양이 상태에서 양자 불확정성은 두 갈래에서 똑같이 보이지만, 여기서는 그 분포가 달라진다. 그 결과 더 풍부한 간섭 구조가 만들어지며, 이는 오류 정정이나 양자역학의 근본적인 실험에 응용될 수 있다 .

이 성과가 중요한 이유. 양자 오류 정정은 잡음에 견고한 상태에 정보를 인코딩하는 데 의존한다. 조임 상태처럼 비고전적인 요소로 중첩을 만들면 본질적으로 더 복원력이 뛰어난 논리 큐비트를 설계할 가능성이 열린다. 이 성과는 결어긋남(디코히어런스)과 양자에서 고전으로의 전환에 대한 근본적인 질문을 실험하는 시험대도 더욱 예리하게 벼려준다 .

왜 하나의 포획 이온인가?

두 돌파구는 똑같은 무대를 공유한다. 바로 고주파 전기장에 의해 거의 움직이지 않게 잡힌 단 하나의 이온(칼슘 혹은 스트론튬 동위 원소)이다. 포획 이온은 양자 시스템 두 가지를 하나로 합친 듯한 특징을 지닌다. 하나는 큐비트로 동작하는 잘 고립된 내부 전자 상태이고, 다른 하나는 레이저 냉각을 통해 양자 바닥 상태까지 도달시킬 수 있는 운동 모드다. 이 이중적 특성 덕분에 이온은 복잡한 양자 상태를 생성하고 분석하는 이상적인 플랫폼이 된다 .

중요한 것은 옥스퍼드 이온 트랩 그룹이 이 플랫폼을 수년간 갈고닦아 왔다는 점이다. 2025년 6월, 바로 이 그룹은 단일 큐비트 게이트 충실도에서 세계 기록을 세우며 **0.000015%**라는 극한의 오류율(670만 번의 연산당 단 한 번의 실수)을 달성했다 . 개별 큐비트를 이처럼 완벽하게 제어할 수 있다는 강력한 기반이 있었기에, 2026년 쿼드스퀴징과 고양이 상태 결과가 가능했던 것이다.

지금 당장 쿼드스퀴징이나 프로그래밍 가능한 고양이 상태가 상업적 양자 컴퓨터에 탑재되지는 않는다. 하지만 이 두 성과는 양자 공구 상자에서 그동안 비어 있던 서로 다른 부분을 정확히 채워준다. 하나는 센싱과 계측을 위한 고차 얽힘에 이르는 더 빠르고 깨끗한 길을 제공하고, 다른 하나는 오류 정정을 위해 정보의 형태를 설계하는 새로운 방식을 제시한다. 두 결과 모두, 잘 통제된 단 하나의 이온이야말로 양자 물리학의 가장 심오한 규칙을 탐구하고 활용하는 가장 다재다능한 플랫폼으로 남아 있다는 사실을 분명히 보여준다.