정확도 높고 자원 소모량 줄인 '양자컴' 오류수정 알고리즘 개발

서울대 연구팀 성과..범용 양자컴퓨터 구현에 도움 기대

양자연산에 이용되는 '클러스터 상태'를 만드는 방법을 그린 그림이다. 점선으로 표현된 부분은 두 개의 큐비트를 연결하는 ‘얽힘 측정’이다. 작은 원들은 큐비트들이며 실선으로 연결된 부분은 큐비트들이 이미 얽혀 있음을 나타낸다. 얽힘 측정들을 통해 큐비트들을 연결하여 입방체 구조를 가지는 클러스터 상태를 구성한다. 클러스터 상태를 만든 후에는 각각의 큐비트들에 대한 단일 큐비트 측정만으로 오류수정을 포함한 양자연산이 이뤄진다. 서울대 제공

특정 문제에 대해 기존의 디지털 컴퓨터보다 효율적인 연산이 가능해 ‘미래의 컴퓨터’로 꼽히는 양자컴퓨터의 정보 오류를 수정해 연산의 정확도를 높이는 새로운 기술이 개발됐다. 연산에 필요한 자원은 이전보다 절 쓰면서 정확도는 향상돼 양자컴퓨터 상용화에 도움이 될 것으로 기대된다.

서울대는 정현석 물리천문학부 교수와 스리크리슈나 옴카 연구원팀이 적은 에너지를 쓰면서도 빠르고 정확하며 오류 수정이 가능한 양자컴퓨팅 방법을 설계하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

양자컴퓨터는 정보 및 연산의 기본 단위로 ‘양자비트(큐비트)’를 사용하는 컴퓨터다. 보통 디지털 컴퓨터는 0과 1이라는 구분된 값을 정보와 연산의 기본 단위(비트)로 활용한다. 비트는 0 또는 1이라는 값을 갖지만, 큐비트는 양자역학 특유의 현상인 ‘중첩’을 활용해 0과 1이 결정되지 않은 상태로 정보를 처리한다. 이 때문에 동시에 수많은 정보를 처리할 수 있는 빠른 병렬연산이 가능하다. 

큐비트는 자기장으로 가둔 이온이나 반도체, 초전도체 등을 이용해 물리적으로 구현한다. 큐비트는 주변 환경과의 상호작용에 취약한데, 이 과정에서 중첩 성질을 잃기 쉽다는 단점이 있다. 중첩은 입자가 다른 입자와 상호작용하는 순간 깨지는 특성이다. 

중첩이 깨지면 양자컴퓨터가 작동하기 위한 기본 전제가 무너지는 것이라, 이 큐비트는 물리적 오류로 간주된다. 양자컴퓨터는 여러 개의 큐비트를 활용하는데, 여러 큐비트에서 오류가 발생하면 정확도가 떨어져 컴퓨터로 활용할 수가 없다. 이를 막기 위해 양자 오류를 수정해 오류를 줄이는 기술이 널리 연구되고 있다. 보통 수정 작업을 위해 추가로 보조 큐비트를 사용하는데, 이 과정에서 자원 소모가 늘고 연산 과부하를 일으키는 등 문제가 발생해 양자컴퓨터 상용화의 중요한 걸림돌이 돼 왔다.

정 교수팀은 큐비트를 이루는 입자가 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 지닌다는 사실에 주목했다. 이를 이용해 큐비트에서 파동의 성질을 지닌 부분과 입자의 성질을 지닌 부분이 각각 ‘양자 얽힘’이라는 양자적 상태를 이루는 ‘이종(하이브리드) 큐비트’를 만들었다. 양자 얽힘은 여러 개의 입자가 양자역학적으로 연결돼 있는 현상이다. 그 뒤 이들을 이용해 여러 이종 큐비트가 얽힌 ‘클러스터’ 상태를 만들었다. 클러스터는 측정만으로 계산을 수행하는 ‘측정기반 양자컴퓨터’를 만드는 기술이다.

마지막으로 연구팀은 이렇게 만든 클러스터 상태의 이종 큐비트에서 파동과 입자 상태 부분에 각각 측정을 가해 양자연산을 수행하는 알고리즘을 만들었다. 그 결과 추가적인 연산을 하지 않고 오직 큐비트 측정만을 해 오류를 수정할 수 있는 양자연산이 가능하다는 사실을 증명했다.

연구팀은 “파동 상태 부분의 간섭효과를 이용하면 양자측정의 성공률을 높일 수 있어 적은 수의 추가 큐비트만으로도 빠른 오류 수정이 가능하다”며 “입자 상태 부분의 성질을 이용하면 큐비트가 손실되는 오류가 발생할 때 입자의 수가 줄어들어 연산 과정에서 이를 정확히 찾을 수 있다”고 설명했다. 자원 소모량을 줄이고 정확도는 높이는 두 가지 목표를 파동과 입자 상태를 이용해 각각 달성한 것이다.

연구팀은 “정확도를 높이고 자원 요구량은 줄여야 하는데 둘 다 동시에 개선하는 일은 매우 어려웠다”며 “이번 연구를 통해 이 문제를 해결해 범용 양자컴퓨터 구현에 한 걸음 다가서게 됐다”고 밝혔다.

연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표될 예정이다.
 

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]