빠른 오류 제어 가능한 양자컴퓨팅 방법
빠른 오류 제어 가능한 양자컴퓨팅 방법
  • 함예솔
  • 승인 2020.08.04 13:55
  • 조회수 1152
  • 댓글 0
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서울대학교 물리천문학부 정현석 교수 연구팀은 빠르고 정확한 오류의 수정이 가능한 양자컴퓨팅 방법을 설계했습니다. 이번 연구 결과는 <Physical Review Letters>에 게재됐습니다.

양자정보통신기술에 활용할 높은 잠재성. 출처: AdobeStock
빠른 오류제어 가능한 양자컴퓨팅 방법! 출처: AdobeStock

빠르고 정확한 양자 오류수정 구현이 어려웠던 이유 

 

양자컴퓨터 연산의 기본 단위인 큐비트는 쉽게 손상되어 오류를 발생시키는 특성이 있습니다. 양자컴퓨팅 연산중 일어나는 이러한 양자 오류의 발생과 누적은 정확한 연산을 불가능하게 만듭니다. 이는 실용적인 양자컴퓨터의 구현에 결정적인 장애물로 알려져 있습니다.

 

현재까지 큐비트 오류를 수정하는 다양한 '양자 오류수정' 방법이 연구됐습니다. 그러나 양자 오류 수정의 정확도를 높이기 위해서는 많은 양의 큐비트들과 연산 과정들이 추가적인 자원으로 소모됩니다. 이러한 자원 소모량은 처리해야 하는 연산의 규모가 늘어날수록 기하급수적으로 증가합니다.

컴퓨터 때문에 우울해질 수 있다고? 출처: pixabay
처리해야 하는 연산의 규모가 늘어날수록 자원소모량 기하급수적으로 증가. 출처: pixabay

이는 양자컴퓨터의 연산에 막대한 과부하가 걸리게 만들고 실용적인 양자컴퓨터의 구현을 불가능하게 하는 중대한 장애물입니다. 따라서 빠르면서도(즉, 적은 양의 추가 자원을 사용하면서도) 동시에 정확한 양자 오류 수정을 구현하는 것은 극히 어려운 문제로 여겨져 왔습니다.

 

빠르고 정확한 양자 오류 수정 알고리즘 제안 

 

연구진은 적은 양의 추가 자원을 이용하여 빠르게 작동하면서도 정확한 오류 수정이 가능한 양자 오류 수정 알고리즘을 제안했습니다.

양자컴퓨팅에 이용되는 클러스터 상태를 만드는 방법의 도해. 점선으로 표현된 부분은 두 개의 큐비트를 연결하는 ‘얽힘 측정’이다. 작은 원들은 큐비트들이며 실선으로 연결된 부분은 큐비트들이 이미 얽혀 있음을 나타낸다.  출처: 서울대학교
양자컴퓨팅에 이용되는 클러스터 상태를 만드는 방법의 도해. 점선으로 표현된 부분은 두 개의 큐비트를 연결하는 ‘얽힘 측정’이다. 작은 원들은 큐비트들이며 실선으로 연결된 부분은 큐비트들이 이미 얽혀 있음을 나타낸다. 출처: 서울대학교

연구의 핵심 아이디어는 파동 성질을 가지는 부분과 입자 성질을 가지는 부분의 두 부분이 양자 얽힘을 이루고 있는 하이브리드 큐비트를 이용해 가능한 적은 자원으로 최대한의 오류수정 정확도를 얻어내는 겁니다. 참고로 양자 얽힘이란 여러 개의 입자들이 비고전적인 상관관계를 가지고 양자역학적으로 연결되어 있는 현상을 말합니다. 

 

연구진은 여러 개의 하이브리드 큐비트들로 이루어진 클러스터 상태라고 불리는 양자 얽힘 상태를 만든 후에 추가적인 게이트 연산 없이 오직 큐비트 측정만을 통해 오류수정을 포함한 범용 양자컴퓨팅을 수행하는 것이 가능함을 보였습니다.


하이브리드 큐비트의 파동 상태 부분의 간섭 효과를 이용하면 양자 측정의 성공률을 높일 수 있어 적은 수의 추가적 큐비트만을 가지고도 빠른 오류수정이 가능합니다. 또한 입자 상태 부분의 성질을 이용하면 큐비트가 손실되는 오류가 발생할 때 입자의 수 줄어들게 되므로 연산 과정에서 이를 정확하게 찾아낼 수 있습니다.

 

이를 광학적 모델에 적용하여 기존에 알려진 모든 방법들보다 양자 오류수정에 요구되는 자원소모량을 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 오류수정의 정확도를 끌어올릴 수 있음을 증명했습니다. 본 연구를 통해 실용적인 양자 컴퓨터 구현을 위한 주요 과제인 오류 수정의 '자원 과부하'와 '정확도'라는 두 가지 문제를 동시에 개선해 오류를 극복하는 본격적 양자컴퓨팅의 구현에 한 단계 더 가까워졌습니다. 

 


##참고자료##

 


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