양자컴퓨터 실용화 한 발 다가섰다…양자 연산 4배 이상 안정적 수행

KIST, 이산변수-연속변수 통합 '오류정정 기술'
최대 4배 양자연산 수행..하이브리드 방식 적용

한국과학기술연구원은 이산 변수와 연속 변수 방식의 장점만을 통합한 양자 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함 허용 양자컴퓨팅 아키텍처를 설계했다. 그림은 하이브리드 큐비트를 이용한 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처 개념도. KIST 제공.

양자컴퓨터 실용화의 관건인 '양자 오류정정'을 하이브리드 방식으로 해결할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술을 적용하면 광자, 초전도, 이온트랩 등 서로 다른 양자컴퓨터 시스템의 장점만을 통합해 하이브리드 기반 양자 컴퓨터 개발에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이승우 박사 연구팀이 세계 최초로 이산 변수(DV)와 연속 변수(CV)의 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처 설계를 구현했다고 6일 밝혔다.

양자 연산의 기본 단위인 큐비트에 입력된 정보는 빠르게 손실되며 오류가 쉽게 발생한다. 양자 오류정정 기술은 큐비트에서 발생하는 오류를 근본적으로 해결하고, 연산 과정에서 오류가 증폭되는 문제를 방지한다. 이 때문에 양자 오류정정 기술 없이는 양자컴퓨터가 기존 고전 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 없어 전 세계적으로 관련 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

양자 오류정정이 가능하도록 설계된 큐비트를 논리 큐비트라고 하는데, 이산 변수와 연속 변수 등 두 가지 방식으로 구현한다. 이산 변수는 물리 큐비트를 여러 개 모아서 오류정정 부호를 입력하는 방식이고, 연속 변수는 단일 모드 무한 차원의 공간에서 정의된 수치를 활용하는 방식을 뜻다.

미국 IBM, 구글, 큐에라, 사이퀀텀 등의 기업들은 이산변수 방식으로 양자컴퓨터를 개발하고 있으며, 아마존과 자나두 등은 연속변수 방식을 채택하고 있다. 이산 변수 방식은 조작과 생성이 상대적으로 쉽지만, 물리 큐비트 여러 개를 묶는 구조로 자원 소모량이 많다. 반면 연속 변수 방식은 단일 모드에서 정의돼 자원을 효율적으로 사용할 수 있지만 오류정정 입력 상태의 생성과 조작이 어렵다.

연구팀은 이산 변수와 연속 변수 방식의 큐비트의 오류정정을 통합한 방법을 제시하고, 이를 기반으로 결함 허용 아키텍처를 개발, 수치 시뮬레이션을 통해 보다 효율적이고 효과적인 양자 연산과 오류정정이 가능하다는 것을 입증했다. 특히 광학 기반 양자컴퓨팅에 적용하면 기존 기술 대비 최대 4배 높은 양자 연산을 수행했고, 같은 수준의 논리 오류율을 유지하는 데 필요한 자원을 13배 이상 줄일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 광학 기반 시스템뿐 아니라 초전도, 이온트랩 시스템과도 결합이 가능하며, 실제 큐비트로 구현하는 연구를 진행하고 있다.

이승우 KIST 박사는 "이번 연구는 양자컴퓨팅 개발에 새로운 방향성을 제시한 연구"라며 "규모 있는 양자컴퓨터 개발과 실용화를 위해선 서로 다른 플랫폼의 장점을 통합하는 하이브리드 기술이 더욱 중요해질 것으로 예상된다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 'PRX 퀀텀(지난 8월 2일)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr