아이비엠 오사카에서 구현한 삼큐빗 W 상태 전술 및 부분 상태 재구성

초록

본 논문은 IBM의 127큐빗 오픈 액세스 프로세서인 ibm_osaka에서 삼큐빗 W 상태를 17개의 측정 설정만으로 전술하는 효율적인 양자 상태 전술(Quantum State Tomography, QST) 방식을 제안한다. 또한 7개의 측정 설정으로 두 개의 2큐빗 부분 상태를 전술한 뒤, 디오시(Diósi) 프로토콜을 이용해 전체 삼큐빗 순수 상태를 복원한다. 실험 결과, 부분 상태 기반 복원이 전체 전술보다 높은 충실도를 보이며, 측정 자원 절감과 실험적 실용성을 입증한다.

상세 분석

이 연구는 세 가지 핵심 기술적 기여를 제공한다. 첫째, 삼큐빗 일반 상태를 완전 복원하기 위해 기존의 63개 파울리 측정 설정을 17개로 축소한 새로운 전술 스킴을 설계하였다. 이 스킴은 H, CNOT, Rx(π/2)와 같은 기본 게이트만을 사용해 구현 가능하도록 구성했으며, 각 설정이 복원해야 할 실수·허수 성분을 명시적으로 매핑한다. 특히, CNOT을 이용한 두 큐빗 상호작용을 포함함으로써 다중 큐빗 상관관계를 효율적으로 추출한다. 둘째, 두 개의 2큐빗 마진(ρ_AB, ρ_BC)을 7개의 측정 설정으로 전술하는 기존의 2큐빗 QST 프로토콜을 적용하였다. 이 프로토콜은 각 마진의 15개 독립 파라미터를 최소 측정으로 확보한다. 셋째, 디오시가 제시한 이론적 절차를 실험적으로 구현하여, 두 마진만으로 전체 삼큐빗 순수 상태 |W⟩를 재구성하였다. 구체적으로, 각 마진의 고유값·고유벡터를 추출하고, 위상 인자 α_i를 계산해 전역 파동함수를 복원한다. 이 과정에서 고유값이 동일한 경우 위상 선택이 필요하지만, W 상태는 대칭성이 높아 위상 결정이 비교적 단순했다. 실험은 ibm_osaka의 q97, q98, q99를 선택해 수행했으며, 5회 독립 실험에서 각각 10 000~20 000 샷을 수집해 통계적 신뢰성을 확보하였다. 측정 오류 보정을 위해 6개의 캘리브레이션 회로를 추가했으며, Qiskit 런타임 환경에서 자동 트랜스파일링을 적용해 회로 깊이를 최소화했다. 결과적으로, 전체 전술을 통한 복원 충실도는 평균 0.92 ± 0.02였으며, 부분 상태 기반 복원은 0.95 ± 0.01로 더 높은 값을 기록했다. 이는 노이즈가 누적되는 깊은 회로보다 얕은 2큐빗 전술이 실제 NISQ 디바이스에서 더 정확함을 시사한다. 또한, 17개의 설정만으로도 충분히 정확한 전술이 가능함을 입증함으로써, 향후 더 큰 시스템에 대한 확장 가능성을 열어준다.