하이브리드 방식 양자 오류정정 기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 양자 컴퓨터 실용화의 핵심 과제는 ‘양자 오류정정(Quantum Error Correction)’ 기술 개발이다. 이 기술은 양자 연산의 기본 단위인 큐비트에서 발생하는 오류를 근본적으로 해결하고, 그 오류가 연산 과정에서 증폭되는 문제를 방지하는 역할을 한다.

양자 오류정정 없이는 양자 컴퓨터가 기존의 고전 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘하는 것이 사실상 불가능하다는 점에서, 현재 전 세계적으로 이 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 이승우 박사 연구팀은 세계 최초로 이산 변수(DV)와 연속 변수(CV)의 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처를 설계했다.

양자 오류정정이 가능하도록 설계된 큐비트를 ‘논리 큐비트’라고 하며, 구현 방법은 이산 변수(Discrete Variable, DV)와 연속 변수(Continuous Variable, CV)의 두 가지 방식이 있다.

IBM, Google, Quera, PsiQuantum 같은 기업들은 이산 변수(DV) 방식으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 아마존(AWS), 자나두(Xanadu) 등은 연속 변수(CV) 방식을 채택하고 있다. 이 두 방식은 각각 조작 난이도와 자원 효율성 측면에서 장단점이 있다.

KIST 연구팀은 기존에 따로 개발되던 DV와 CV 방식 큐비트의 오류정정을 통합하는 방법을 제시했다. 하이브리드 기술을 기반으로 결함 허용 아키텍처를 개발, 수치 시뮬레이션을 통해서 이 기술이 각 방식의 장점을 결합해 더 효율적이고 효과적 양자 연산과 오류정정이 가능하다는 점을 입증했다.

특히, 광학 기반 양자컴퓨팅에서 이 하이브리드 방식을 적용하면 기존 기술 대비 최대 4배 높은 광자 손실 임계값(시스템이 어느 정도까지 광자가 손실되더라도 안정적으로 양자 연산을 수행할 수 있는 한계치)을 달성할 수 있으며, 같은 수준의 논리 오류율을 유지하면서도 필요한 자원을 13배 이상 절약할 수 있는 것으로 나타났다.

이재학 KIST 박사는 “이번 연구에서 개발한 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술은 광학 기반 시스템뿐 아니라 초전도와 이온트랩 시스템과 결합이 가능하다”고 설명했다.

연구를 주도한 이승우 KIST 박사는 “이번 연구는 양자컴퓨팅 개발에 새로운 방향성을 제시한 연구”라며 “규모있는 양자컴퓨터의 개발과 실용화를 위해서는 서로 다른 플랫폼의 장점을 통합하는 하이브리드 기술이 중요해질 것으로 예측된다”고 말했다.

이번 연구 성과(논문명: Fault-Tolerant Quantum Computation by Hybrid Qubits with Bosonic Cat Code and Single Photons)는 국제 학술지 ‘PRX Quantum’ 8월 2일자에 실렸다.