KIST, 양자컴서 IBM 극복하나...오류수정 필요없는 16차원 '큐디트' 기술 첫 확보

기존 0과1로 계산하는 기존 2차원 '큐비트'계산법 대체 성공

(지디넷코리아=박희범 기자)현재 IBM이나 구글의 양자컴퓨팅에서 최대 관건은 큐비트 오류 완화와 수정 기술 확보다. 그러나 큰 진전은 아직까지 없다.

국내 연구진이 이 같은 오류 완화나 수정 자체가 필요없는 새로운 방식의 양자컴퓨팅 기술을 개발해 관심이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀이 기존보다 적은 자원으로도 원자 간 결합거리와 바닥 상태 에너지를 화학적 정확도로 추정할 수 있는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현하는데 성공했다고 5일 밝혔다.

새로운 양자컴퓨팅 방식을 개발한 연구진. 왼쪽부터 KIST 임향택 책임연구원, KIMM 김병주 선임연구원, KIST 허강민 핵생연구원(제1저자).

현재 IBM이나 구글의 양자컴퓨팅에서 최대 관건은 양자 오류 완화 및 수정 기술이다. 양자 컴퓨터는 연산 공간이 커지면서 오류가 급격히 증가하는 단점이 있기 때문이다.

이를 극복하기 위해 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합한 VQE(Variational Quantum Eigensolver) 방식이 등장했다. VQE는 ‘변분 양자 고유값 계산기’라는 의미다. 양자 컴퓨팅 프로세서(QPU)와 고전 컴퓨팅 프로세서(CPU)를 함께 사용해 더 빠른 계산을 수행하도록 고안된 하이브리드 알고리즘이다.

IBM과 구글을 비롯한 글로벌 연구팀들이 초전도, 이온 트랩 등 다양한 양자 시스템에서 이를 연구하고 있다.

하지만 큐비트 기반의 VQE는 현재 광자 시스템에서 최대 2큐비트, 초전도 시스템에서는 12큐비트까지 구현된 상태다. 더 많은 큐비트와 복잡한 연산이 필요한 경우 오류 문제가 발생, 확장이 어렵다는 한계가 있다.

KIST 연구팀은 큐비트 대신 큐디트(Qudit)라는 고차원 양자 정보를 활용하는 방식을 도입했다.

큐디트는 기존 큐비트가 표현할 수 있는 0과 1 외에도 0, 1, 2 등 여러 상태를 가질 수 있는 양자 단위로 복잡한 양자 계산에 유리하다.

KIST 연구진이 공간 광변조기를 이용해 궤도각운동량 큐디트 상태를 바탕으로 양자처리장치를 구현했다. (그래픽=KIST)

연구팀은 광자의 궤도각 운동량 상태를 이용해 큐디트를 구현했다. 홀로그램 이미지를 통해 광자의 위상을 조절함으로써 차원을 확장했다. 이를 통해 복잡한 양자 게이트 없이도 높은 차원의 계산이 가능해져 오류를 줄일 수 있었다.

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

연구진은 "IBM, 구글 등 기존의 VQE는 화학적 정확도를 위해 오류 완화 기술이 필요했지만, KIST 연구팀의 VQE는 별도 오류 완화 없이도 정확도를 확보했다는 의미가 있다"고 설명했다.

연구진은 "적은 자원으로도 높은 정확도를 얻을 수 있는 방법을 제시해, 분자 특성이 중요한 산업에 폭넓게 적용될 가능성을 보여준다"며 "기후 모형화와 같은 복잡한 문제 해결에도 유용할 것"으로 기대했다.

KIST 임향택 박사는 “적은 자원으로도 화학적 정확도에 도달 가능한 큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술을 확보함으로써, 신약 개발과 배터리 성능 개선 등 다양한 실용적인 분야에 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

궤도각운동량 큐디트 기반 VQE 실험 구성도. 16차원에 해당하는 4차원 수소 분자와 같은 실험 구성으로 LiH 분자 모델의 바닥 상태 에너지를 추정하는데 성공했다.(그래픽=KIST)

연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요 사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업 등으로 수행됐다. 

연구 성과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF: 11.7 JCR 분야 상위 7.8%)에 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)