양자 컴퓨팅 확장성 극복…옥스퍼드 연구팀, 세계 최초 분산 양자 컴퓨팅 구현

옥스퍼드 대학교 물리학과 연구팀이 세계 최초로 두 개의 독립적인 양자 프로세서를 하나로 연결하는 데 성공했다.

이번 연구는 기존 양자 컴퓨팅의 물리적 한계를 뛰어넘어 대규모 연산이 가능한 양자 슈퍼컴퓨터를 개발할 수 있는 새로운 방법을 제시할 것으로 주목받고 있다.

11일 옥스퍼드대학교 연구팀의 '광 네트워크 링크를 통한 분산 양자 컴퓨팅' 논문이 네이처에 게재됐다.

논문에 따르면 연구팀은 두 개의 독립적인 양자 프로세서를 광섬유 네트워크를 통해 연결해 단일 양자 컴퓨터를 구축하는 데 성공했다.

기존의 양자 컴퓨터는 모든 큐비트가 하나의 단일 시스템 안에 존재해야 했으나, 이번 연구에서는 여러 개의 작은 양자 프로세서를 결합해 하나의 강력한 연산 장치처럼 동작하도록 했다.

연구팀은 이러한 방식을 통해 기존의 양자 컴퓨터에서 큐비트 수를 늘릴 때 발생하는 물리적 한계를 극복할 수 있는 해결책이 될 수 있을 것이라고 밝혔다. 특히, 실험을 통해 분산된 양자 프로세서 간 양자 얽힘을 생성하고, 이를 기반으로 연산을 수행하는 데 성공했다고 설명했다.

분산 양자컴퓨팅의 핵심 기술 중 하나는 바로 양자 순간이동(Quantum Teleportation)이다. 양자 순간이동은 두 개의 얽힌 큐비트 간 정보를 즉각적으로 전송할 수 있는 기술로, 광섬유 네트워크를 통해 멀리 떨어진 양자 프로세서 간에도 연산을 수행할 수 있도록 한다.

연구팀은 이 기술을 활용해 물리적으로 분리된 큐비트 간 논리 연산(게이트 연산)을 성공적으로 수행했다. 단순히 정보 전달이 아니라, 양자 상태 자체를 전송하여 멀리 떨어진 두 개의 프로세서가 마치 하나의 시스템처럼 동작할 수 있도록 한 것이다.

기존의 양자 컴퓨터에서 같은 칩 내부에서만 가능했던 연산을 네트워크를 통해 수행할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다는 설명이다.

연구팀은 실험에서 그로버 검색 알고리즘을 실행하여 분산 양자 컴퓨터가 실제로 계산을 수행할 수 있음을 입증했다. 그로버 알고리즘은 대규모 데이터 검색 속도를 획기적으로 개선할 수 있는 양자 알고리즘으로, 기존의 고전적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 데이터를 검색할 수 있다.

실험과정에서 두 개의 독립적인 양자 프로세서가 협력해 양자 얽힘을 유지하면서 그로버 알고리즘을 수행했으며, 이 과정에서 분산된 양자 프로세서가 동기화된 방식으로 연산을 수행하고, 기존의 단일 양자 프로세서와 동일한 수준의 정확도를 유지했다.

연구팀은 이번 연구가 단일 양자 컴퓨팅에서 네트워크형(분산형) 양자 컴퓨팅으로의 전환 방향을 제시할 것이라고 의미를 설명했다.

특히, 분산 양자 컴퓨팅은 양자 인터넷(Quantum Internet)과 연계돼 더욱 강력한 보안과 확장성을 갖춘 네트워크 환경을 제공할 수 있을 것이라고 강조했다. 양자 인터넷은 기존 인터넷보다 보안성이 월등히 높아 해킹이 불가능한 초고속 데이터 통신이 가능한 기술로 평가받고 있다.

이번 연구의 책임자인 옥스포드 대학의 더글 메인 교수는 "우리는 양자 순간이동을 사용하여 먼 시스템 간의 상호 작용을 구현했다"며 "이러한 상호 작용을 신중하게 조정함으로써 별도의 양자 컴퓨터에 있는 큐비트 간에 논리적 양자 게이트를 수행할 수 있다는 방법을 발견하며 두개의 양자프로세서를 완전히 연결된 단일 양자 컴퓨터로 만들 수 있었다"고 밝혔다.