새로운 방법으로 핵심 양자 컴퓨팅 연산 속도 1,000배 향상

스웨덴 Chalmers University of Technology 연구진이 특정 고급 양자 컴퓨팅 연산을 기존보다 1,000배 이상 빠르게 수행할 수 있는 방법을 개발했습니다. Lei Du가 주도하고 Tangyou Huang이 공동 저자로 참여한 이 연구는 양자 컴퓨터가 정보를 보호하고 조작하는 방식에서 오랫동안 존재해온 병목 현상을 다룹니다. 이 연구는 공동 연구자 Lingzhen Guo와 함께 이론 연구로서 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

양자 컴퓨터의 기본 정보 단위인 큐비트(qubit)는 교란에 극도로 민감하기 때문에 오류가 발생하기 쉽습니다. 전기적 잡음, 우주 방사선, 과열과 같은 작은 환경적 영향만으로도 큐비트가 궤도를 벗어나 정보를 잃을 수 있습니다. 일반 컴퓨터도 비슷한 문제를 겪지만, 잘 정립된 오류 정정 방법을 이용해 빠르게 문제를 해결할 수 있습니다. 반면 양자 컴퓨터에서는 오류가 쌓여 계산 전체를 망치기 전에 이를 정정하는 일이 훨씬 더 어려운 것으로 밝혀졌습니다.

양자 정보를 더 견고하게 만드는 한 가지 전략은 정보를 개별 큐비트에 저장하는 방식 자체를 피하는 것입니다. 이른바 보손 양자 코드(bosonic quantum code)는 정보를 초전도체(superconductor) 회로 내부의 마이크로파 장에 저장하는 방식으로, 특정 종류의 오류를 막아주는 것으로 확인된 접근법입니다. 이러한 코드가 사용하는 양자 상태를 만들고 제어하려면 전통적으로 시스템을 수천 번의 반복 제어 주기를 거쳐 유도해야 했으며, 이는 오류가 끼어들 기회가 많은 느린 과정이었습니다.

반면 Chalmers 연구팀의 방법은 이러한 연산을 수천 번이 아니라 단 한 번의 제어 주기 안에 완료합니다. 이 방법은 같은 연구팀이 이전에 소개한, quantum lattice gates라 불리는 최근 제안된 구성 요소 세트에 기반합니다. Tangyou Huang은 이 접근법을 개별 벽돌이 아니라 미리 만들어진 모듈로 건물을 짓는 것에 비유했습니다. 구조물을 한 조각씩 조립하며 실수의 위험을 감수하는 대신, 이 게이트들은 이미 완성된 단위로서 빠르게 결합됩니다.

이 기술은 Floquet 제어의 한 형태로, 주기적으로 반복되는 제어 신호를 이용해 양자 시스템을 유도하는 방식입니다. 이전의 Floquet 기반 접근법들은 원하는 상태를 만들어내기 위해 이러한 반복 주기가 여러 번 필요했으며, 이것이 바로 새로운 방법이 대체하는 느린 과정입니다. 같은 결과를 단 한 번의 주기 안에 도달함으로써, 이 방법은 교란이 연산을 훼손할 수 있는 노출 시간을 줄여줍니다.

양자 연산에 걸리는 시간이 길수록 환경 잡음이 이를 방해할 시간도 늘어나므로, 수천 번의 주기가 필요했던 과정을 한 번으로 줄이는 것은 오류 발생 가능성을 직접적으로 낮춥니다. 연구진은 이를 스스로 오류를 신뢰성 있게 정정할 수 있는 양자 컴퓨터, 즉 결함 허용 양자 컴퓨팅(fault-tolerant quantum computing)을 구축하는 데 있어 주요 병목 중 하나를 해결하는 것이라고 설명합니다. 이러한 신뢰성을 갖춘 양자 컴퓨터는 신약 개발, 에너지 시스템, 암호학, 인공지능, 물류 등의 분야에 궁극적으로 기여할 것으로 기대되지만, 이러한 응용은 더 폭넓은 기술이 성숙하는 데 달려 있습니다.

이 방법은 대규모 양자 컴퓨팅을 위해 추진되고 있는 주요 하드웨어 플랫폼 중 하나인 초전도 양자 컴퓨터를 위해 설계되었습니다. Chalmers는 현재 이와 동일한 초전도 플랫폼을 사용해 100큐비트 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 이 새로운 접근법은 기존의 초전도 양자 회로 설계를 이용해 구현할 수 있기 때문에, 연구진은 이미 Chalmers의 동료들과 실험적 시연 가능성을 논의하고 있다고 밝혔습니다.

Chalmers의 결과는 이론 연구이며, 연구진은 이를 계산 시뮬레이션이라고 설명합니다. 아직 실험적 시연은 이루어지지 않았습니다. 연구진은 가까운 시일 내에 이 방법이 실험을 통해 검증되기를 바란다고 말하면서도, 1,000배의 속도 향상은 보손 양자 상태를 만들고 제어하는 과정에 구체적으로 적용되는 것이며 양자 컴퓨터를 운용하는 모든 부분에 해당하는 것은 아니라고 밝혔습니다.

별개의 병목 지점 중 하나는 큐비트의 최종 상태를 판독하는 것으로, 이는 Chalmers의 방법이 속도를 높이는 연산과는 구별되는 단계입니다. 다른 연구 그룹들은 이 분야에서 진전을 보고했습니다. 한 연구팀은 특수 증폭기 없이 140나노초 이내에 두 상태를 구별하는 단일 판독(single-shot readout) 신뢰도를 최대 99.5%까지 달성했다고 보고했으며, 이는 측정 중 원치 않는 붕괴를 늦추기 위해 큐비트 개체군을 더 높은 에너지 준위에 임시로 저장하는 기법을 이용한 것입니다. 또 다른 연구팀은 광학 마이크로공동(optical microcavity)을 이용해 양자점(quantum dot) 전자 스핀의 단일 판독을 3나노초 만에 95.2%의 신뢰도로 달성했으며, 이는 지금까지 어떤 물질 플랫폼에서도 이루어진 것 중 가장 빠른 단일 양자 상태 판독이라고 설명했습니다. 세 번째 접근법인 Generalized Syndrome Measurement는 오류 정정 주기당 필요한 판독 횟수를 줄이는 것을 목표로 하며, 여러 번의 측정 대신 단 한 번의 ancilla 측정으로 오류 정보를 추출하는 방식입니다. 이 아이디어는 지금까지 물리적 하드웨어가 아니라 수치 해석을 통해서만 검증되었습니다. 이러한 노력들은 양자 연산의 속도를 높이는 것과 신뢰할 수 있는 측정의 속도를 높이는 것이 여전히 별개의 문제이며, 각각 따로 연구되고 있음을 보여줍니다.