래티스 서저리 기법으로 실용적 양자 컴퓨터 시대 열린다

3줄 요약

• ETH 취리히 연구팀이 초전도 큐비트에서 래티스 서저리 기법을 최초로 성공적으로 구현했습니다
• 이 기법은 오류 수정을 지속하면서 양자 연산을 수행할 수 있어 양자 컴퓨터의 실용화를 앞당깁니다
• 17개의 물리적 큐비트를 사용해 논리 큐비트를 분할하고 얽힘을 생성하는 데 성공했습니다

📌 주요 내용

양자 컴퓨터의 근본적 과제: 디코히어런스

양자 컴퓨터는 재료 과학부터 암호학까지 다양한 분야를 혁신할 잠재력을 가지고 있지만, 현재는 구축과 운영이 매우 어렵습니다. 가장 큰 과제 중 하나는 디코히어런스(decoherence)라는 과정으로 인해 양자 시스템에 오류가 발생한다는 점입니다.

이러한 오류는 일반적으로 비트 플립(bit flip)이나 위상 플립(phase flip)의 형태로 나타납니다. 비트 플립은 큐비트가 예상치 못하게 ‘0’과 ‘1’ 사이에서 전환되는 현상입니다. 위상 플립은 양자 중첩의 위상이 갑자기 반전되어 양수에서 음수로 변하는 현상입니다. 이러한 변화는 무작위로 발생할 수 있으며, 단 하나의 오류만으로도 계산을 방해할 수 있습니다.

논리 큐비트로 정보 보호하기

오류를 줄이기 위해 연구자들은 많은 물리적 큐비트를 단일 논리 큐비트로 결합하고 지속적인 오류 수정을 적용합니다. 이 전략은 시간이 지나도 양자 정보를 보존하는 데 도움이 되어 저장을 비교적 안정적으로 만듭니다. 그러나 정보를 저장하는 것은 작업의 일부에 불과합니다.

양자 알고리즘을 실행하려면 큐비트를 양자 게이트를 사용하여 적극적으로 조작해야 하는데, 이는 양자 계산을 구동하는 기본 연산입니다. 새로운 오류를 도입하지 않고 이러한 연산을 적용하는 것은 큐비트를 정지 상태로 안정적으로 유지하는 것보다 훨씬 더 어려운 것으로 입증되었습니다.

오류 수정 중 연산 수행하는 새로운 방법

D-PHYS 교수 Andreas Wallraff가 이끄는 연구팀은 이제 이 문제를 직접 해결하는 방법을 시연했습니다. Paul Scherrer Institute(PSI)의 연구자들 및 RWTH Aachen University와 Forschungszentrum Jülich의 Markus Müller 교수가 이끄는 이론가들과 협력하여, 연구팀은 동시에 오류를 수정하면서 초전도 논리 큐비트 간에 양자 연산을 수행하는 방법을 보여주었습니다. 이들의 연구 결과는 최근 Nature Physics에 게재되었습니다.

이 연구는 지속적인 오류로 인해 계산이 방해받지 않고 진행될 수 있는 내결함성 양자 컴퓨팅(fault tolerant quantum computing)을 향한 중요한 진전을 의미합니다.

표면 코드를 이용한 오류 수정

널리 사용되는 해결책 중 하나는 표면 코드(surface codes)입니다. 이 접근 방식에서는 단일 큐비트의 정보가 여러 물리적 데이터 큐비트에 분산됩니다. 오류 감지는 안정자(stabilizers)의 반복 측정에 의존하며, 이는 데이터 큐비트와 함께 작동하여 논리 큐비트를 형성합니다.

이러한 안정자는 데이터 큐비트에 연결된 추가 큐비트를 사용하여 모니터링됩니다. 이들을 측정하면 검사 사이에 비트 플립이나 위상 플립이 발생했는지 확인할 수 있습니다. Z형 안정자는 비트 값의 변화를 감지하고, X형 안정자는 위상 변화를 감지합니다. 중요한 점은 데이터 큐비트 자체는 직접 측정되지 않아 수정된 양자 상태를 안전하게 저장할 수 있다는 것입니다.

래티스 서저리로 정사각형 분할하기

이러한 제약 조건 내에서 작업하기 위해 연구팀은 래티스 서저리(lattice surgery)라는 방법을 사용했습니다. 실험에서 연구자들은 17개의 물리적 큐비트에 인코딩된 단일 논리 큐비트로 시작했습니다. 데이터 큐비트와 안정자는 대략 정사각형 패턴으로 배열되었습니다. 여러 사이클에 걸쳐 안정자는 매 1.66마이크로초마다 측정되어 비트 플립과 위상 플립을 모두 수정했습니다.

핵심 순간에 정사각형 중심을 통과하는 세 개의 데이터 큐비트가 측정되었습니다. 이 단계는 표면 코드를 효과적으로 두 개의 별도 반쪽으로 나눴습니다. 동시에 X형 안정자의 측정이 일시 중지되었습니다.

공동 주저자인 박사후 연구원 Dr. Ilya Besedin은 “이 연산의 최종 결과는 서로 얽힌 두 개의 논리 큐비트를 갖게 된 것입니다”라고 설명합니다. 분할 과정 동안 비트 플립 오류는 계속 수정되었습니다. 이후 비트 플립 오류 수정은 각 반쪽에서 독립적으로 재개되었습니다.

초전도 큐비트의 첫 성공 사례

Besedin은 “래티스 서저리 연산이 바로 그 연산이며, 다른 모든 것들은 이것으로부터 구성될 수 있다고 말할 수 있습니다”라고 말합니다.

그는 “우리가 아는 한, 이것은 초전도 큐비트에서 래티스 서저리가 수행된 첫 번째 사례입니다”라고 덧붙이며, “하지만 아직 갈 길이 있습니다. 예를 들어, 하나의 논리 큐비트에 대한 분할 연산을 위상 플립에 대해서도 안정적으로 만들려면 41개의 물리적 큐비트가 필요합니다. 그럼에도 불구하고 초전도 큐비트에 대한 이 래티스 서저리 시연은 수천 개의 큐비트를 가진 유용한 양자 컴퓨터를 구축하려는 야심찬 목표를 향한 중요한 단계입니다”라고 말했습니다.

👨‍💻 개발자에게 미치는 영향

양자 알고리즘 개발의 새로운 가능성

이번 연구는 양자 알고리즘 개발자들에게 중요한 의미를 갖습니다. 래티스 서저리 기법을 통해 오류 수정을 유지하면서 논리 게이트를 구현할 수 있게 되면서, 더 복잡하고 실용적인 양자 알고리즘을 설계할 수 있는 기반이 마련되었습니다.

확장 가능한 양자 시스템 구축

초전도 큐비트에서 래티스 서저리가 성공적으로 구현됨으로써, 모듈식 양자 컴퓨터 아키텍처 개발이 더욱 현실화되었습니다. 이는 수천 개의 큐비트를 가진 대규모 양자 시스템 구축에 필수적인 기술입니다.

내결함성 양자 컴퓨팅으로의 진전

이 기술은 내결함성 양자 컴퓨팅 실현에 중요한 한 걸음입니다. 개발자들은 더 이상 오류로 인한 계산 중단을 크게 우려하지 않고 양자 애플리케이션을 설계할 수 있게 될 것입니다.

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