큐비트 대신 '큐디트'로 구현한 양자컴, 16차원 계산 성공

한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 빛이 회전할 때 갖는 값인 궤도각운동량을 양자 정보 단위로 활용해 효율적인 양자컴퓨팅 시스템을 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 양자컴퓨터의 정보처리 단위인 큐비트(Qubit) 대신 큐디트(Qudit)라는 고차원의 양자 정보 단위를 활용해 양자컴퓨팅 기술을 구현했다. 복잡한 화학 계산을 기존 방식보다 더 적은 자원으로 정확하게 수행하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 임향택 양자기술연구단 책임연구원팀이 적은 자원으로도 원자 간 결합거리와 바닥 상태 에너지를 높은 화학적 정확도로 추정할 수 있는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현했다고 5일 밝혔다. 연구결과는 10월 23일 '사이언스 어드밴시스'에 공개됐다.

양자컴퓨터는 큐비트 연산을 반복하면 오류가 급격히 증가하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합한 '변분 양자 고유값 계산기(VQE, Variational Quantum Eigensolver)'라는 방식이 등장했다. 양자컴퓨팅 프로세서(QPU)와 고전 컴퓨팅 프로세서인 중앙처리장치(CPU)를 함께 사용해 더 빠른 계산을 할 수 있도록 고안된 하이브리드 알고리즘이다.

VQE는 초전도, 이온트랩 등 다양한 양자컴퓨팅 시스템에서 연구되고 있다. 현재 큐비트 기반의 VQE는 광자(빛 입자)를 활용한 시스템에서 최대 2큐비트, 초전도 시스템에서는 12큐비트까지 구현된 상태다. 큐비트가 많아지고 연산이 복잡해질수록 오류가 커져 확장이 어렵다는 점이 한계다.

연구팀은 큐비트 대신 큐디트라는 고차원 양자 정보 활용 방식을 도입했다. 큐디트는 큐비트가 표현하는 0과 1 외에도 0, 1, 2 등 한 번에 더 많은 값을 표현할 수 있는 양자 정보 단위다. 복잡한 계산에 더 유리하다는 평가를 받는다.

빛의 궤도각운동량에 대한 설명 그림. 궤도각운동량이란 어떤 물질이 중점을 중심으로 주기적으로 회전하는 궤도 운동을 할 때 가지는 운동량이다. 빛의 궤도각운동량 양자 상태를 중첩해 광자 큐디트를 만들 수 있다. KIST 제공

연구팀은 광자의 궤도각운동량 상태를 활용해 큐디트를 구현했다. 궤도각운동량은 어떤 물질이 중점을 중심으로 주기적으로 회전하는 궤도 운동을 할 때 가지는 운동량이다. 궤도각운동량으로 정보를 표현하는 큐디트는 이론적으로 무한 차원의 공간을 가질 수 있다.

연구팀은 개발한 큐디트로 VQE를 구현해 다차원 계산이 필요한 수소 분자(4차원)와 리튬 하이드라이드(LiH) 분자(16차원)의 원자간 결합 거리를 추정하는 양자화학 계산을 수행하는 데 성공했다. 광자 기반 VQE을 통해 16차원 계산을 한 것은 처음이다.

연구팀의 VQE는 별도 오류 완화 없이도 계산 정확도를 확보했다. 적은 자원으로 높은 정확도를 구현할 수 있어 분자 특성 파악이 중요한 산업에 적용될 것으로 기대된다. 기후 모델 같은 복잡한 문제를 해결하는데도 유용하다는 평가다.

임 책임연구원은 "적은 자원으로도 높은 화학적 정확도에 도달 가능한 큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술을 확보했다"며 "신약 개발과 배터리 성능 개선 등 다양한 실용적인 분야에 활용되기를 기대한다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/sciadv.ado3472

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]