서울대, 오류에 대한 내성 강한 새로운 양자컴퓨팅 방법 제시

양자컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트는 환경 영향에 취약해 오류가 쉽게 생긴다. 이같은 오류를 정정하고 오류에 대한 내성이 강한 양자컴퓨팅 연구가 활발하다.

서울대학교는 물리천문학부 정현석 교수 연구팀이 적은 자원을 쓰면서 오류에 높은 내성을 가지는 측정기반 양자컴퓨팅 방법을 설계했다고 24일 밝혔다. 여러 개의 광자들을 최대의 얽힘 상태로 만들어서 하나의 큐비트로 사용, 발생한 오류를 보완할 수 있게 했다.

양자컴퓨팅 상용화 장애물, 양자 오류

양자 오류를 잡기 위해서 여러 개의 보조 큐비트들을 사용해 하나의 큐비트에 발생하는 오류들을 감지하고 정정한다. 이를 통해 신뢰할만한 하나의 큐비트 정보를 얻을 수 있다. 양자 오류 정정을 통해 논리적 오류 확률을 임의로 낮추는 것이 가능한 최대 오류율을 오류허용 임계값이라 하며, 오류율이 이보다 높으면 효과적 오류 정정은 불가능해진다.

오류 정정 방법은 막대한 양의 큐비트들과 연산 과정을 추가적으로 소모해 확장성 있는 양자컴퓨터 구현에 장애가 된다. 오류가 전파되는 현실적 조건을 고려했을 때, 실제 양자컴퓨팅의 오류허용 임계값은 큐비트당 최대 2~3%를 넘어서기 어려울 것으로 평가된다.

양자 오류 정정의 효율을 높이려면 여러 개의 큐비트들로 구성된 얽힘 상태를 만들어낼 필요가 있다. 이를 그래프 상태라고 한다. 그래프 상태를 만든 후 개별 큐비트들에 측정을 가함으로써 양자컴퓨팅을 수행하는 방법을 ‘측정기반 양자컴퓨팅’이라고 부른다.

그래프 상태를 만드는 데는 흔히 광자 큐비트가 이용된다. 광자 규비트들을 큐비트들을 연결하는 '얽힘 측정'으로 묶어나감으로써 그래프 상태를 만들 수 있다. 얽힘 측정은 두 개 이상의 큐비트들을 얽혀 있는 상태로 측정하는 것을 말한다. 그런데 광자들은 그래프 상태를 만들기 위한 얽힘 측정 과정에서 많은 실패가 일어난다는 것이 양자컴퓨팅과 오류 정정의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이다.

양자 오류 허용 임계값 3배 높여

연구진은 자원 사용에 있어 효율적인 동시에 오류에 높은 내성을 갖는 측정기반 양자컴퓨팅 프로토콜을 제안했다. 실제적 조건 아래에서 하나의 물리적 큐비트당 약 8.5%의 오류 허용 임계값에 도달할 수 있음을 증명했다. 이는 같은 조건에서 기존 예상되던 한계를 3배 이상 끌어올린 것이다. 양자컴퓨팅 실현을 위한 기술적 진입 장벽을 크게 낮추는데 기여했다는 설명이다.

이 연구의 핵심 아이디어는 여러 개의 광자가 최대로 얽혀 있는 다(多)광자 상태를 하나의 큐비트로 구성하는 인코딩 방법을 사용하는 것이다. 다광자 큐비트들을 연결해나가는 방식으로 그래프 상태를 만들면 투입되는 자원의 양을 최적화하고 오류에 대한 높은 내성을 얻을 수 있다.

3차원 격자 구조를 가지는 그래프 상태 생성의 개략도. 작은 사각형과 원들은 큐비트들이며 검은 실선으로 연결된 부분들은 큐비트들이 얽혀 있음을 의미한다. 주황색 사각형은 얽힘 측정을 의미한다. 왼쪽 그림처럼 먼저 세 개의 큐비트로 이루어진 세 개의 얽힌 큐비트 상태들을 얽힘 측정을 통해 결합함으로써 오른쪽 위의 다섯 개의 큐비트들로 이루어진 중간 크기의 그래프 상태들을 생성한다. 이어서 다섯 개의 큐비트들로 이루어진 그래프 상태들을 다시 얽힘 측정으로 결합해서 우측 하단의 최종적인 3차원 격자 구조의 그래프 상태를 구성한다. (자료=서울대)

연구진은 얽힘 과정에서 실패가 자주 일어난다는 문제점을 다광자 인코딩을 사용한 프로토콜을 제안해 해결했다. 각각의 큐비트들을 단일 광자가 아닌 여러 광자들이 최대로 얽혀있는 상태로 구성한다. 이 최대 얽힘 상태의 성질 때문에 그래프 상태를 만드는 과정 중에 한 번 측정이 실패해도 연쇄적으로 수행되는 다른 측정이 실패한 과정을 보완한다. 이런 방법으로 그래프 상태를 효율적으로 만들 수 있다.