KIST, '광자 큐디트'로 더 정확한 양자컴퓨팅 구현

궤도각운동량 큐디트 기반 VQE(수소 분자)

양자컴퓨팅 기술이 신약 및 신물질 개발에 게임체인저로 부상하는 가운데 국내 연구진이 별도의 양자 오류 완화 기술 없이 정확한 계산을 수행하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 임향택 양자기술연구단 박사팀이 기존보다 적은 자원으로도 원자 간 결합거리와 바닥 상태 에너지를 화학적 정확도(양자화학에서의 분자 특성 등에 대한 이론적 계산 정확성 지표)로 추정할 수 있는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현했다고 5일 밝혔다.

양자 컴퓨터는 연산 공간이 커지면서 오류가 급격히 증가한다. 이를 극복하고자 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합, 양자 컴퓨팅 프로세서(QPU)와 중앙처리장치(CPU)를 함께 사용한 변분 양자 고유값 계산기(VQE) 방식이 등장했다.

하지만 큐비트 기반 VQE는 많은 큐비트와 복잡한 연산이 필요한 경우 오류 문제가 발생해 확장이 어렵다.

연구팀은 큐비트 대신 '큐디트(Qudit)'라는 고차원 양자 정보를 활용하는 방식을 도입했다. 큐디트는 기존 큐비트가 불가능한 0, 1, 2 등 여러 상태를 가질 수 있는 양자 단위로 복잡한 양자 계산에 유리하다.

이번 연구에서 광자의 '궤도각운동량' 상태를 이용해 큐디트를 구현했고, 홀로그램 이미지로 광자 위상을 조절함으로써 차원 확장이 가능했다. 복잡한 양자 게이트 없이도 고차원 계산이 가능해져 오류를 줄일 수 있었다.

연구팀은 이 방법으로 4차원에 해당하는 수소 분자와 16차원에 해당하는 리튬 하이드라이드(LiH) 분자 결합 거리를 추정하는 양자화학 계산을 수행했다. 이는 광자 기반 VQE로 16차원 계산을 구현한 첫 사례다.

IBM, 구글 등 기존 VQE는 화학적 정확도를 위해 오류 완화 기술이 필요했지만, KIST의 VQE는 별도 오류 완화 없이도 정확도를 확보했다. 적은 자원으로도 고정확도를 얻을 수 있는 방법을 제시했다. 기후 모형화에도 유용할 전망이다.

임향택 박사는 “큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술이 신약 개발과 배터리 성능 개선 등에 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com