초전도 “양자 컴퓨터”-1… 양자 오류 완화

[디지털비즈온 김맹근 기자] 양자 오류는 양자 컴퓨터에 영향을 미치는 원치 않는 오류이다. 현재의 초전도 양자 컴퓨팅 시스템에서는 양자 오류를 발생시키는 외부 환경의 영향을 최소화하기 위해 극저온 환경에서 양자 컴퓨터를 동작시킨다. 그럼에도 불구하고 양자적 특성으로 인해 완벽하게 양자 오류를 제어하는 것은 불가능하다. 따라서 현재의 양자 컴퓨팅 시대를 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum era) 시대라고 부른다.

양자 컴퓨터는 외부 요인에 매우 민감하게 반응하기 때문에 양자 노이즈(quantum noise)가 쉽게 발생한다. 양자 노이즈로 인한 양자 오류(quantum error)는 양자 컴퓨터에서 실행되는 양자 연산과 결과에 큰 영향을 미친다. 따라서 안정적인 양자 연산과 내결함성 양자 컴퓨팅(fault-tolerant quantum computing)을 통한 신뢰성 높은 양자 컴퓨터를 위해서는 양자 오류를 완화시키는 것이 매우 중요하다.

현재로서는 완전한 내결함성 양자 컴퓨팅을 대신하여 양자 오류 완화 기법을 통해 양자 오류를 제어한다. 대표적인 양자 컴퓨터 선도기업인 IBM Quantum에서 발표한 로드맵인 에 따르면 2028년까지 양자 오류 완화 기법을 통한 양자 연산을 지원하고 2029년부터 물리적 큐비트의 개수가 양자 오류 정정 코드(quantum error correction code)를 다룰 수 있을 만큼 충분한 구현이 가능해질 때 양자 오류 정정을 통한 양자 연산을 지원한다고 밝혔다.

초전도 양자 컴퓨터와 양자 오류

현재의 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 비교하여 다양한 종류의 노이즈에 의해 영향을 받아 오류에 매우 취약하다. 큐비트가 더 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전환되는 과정에서 정보가 손실되는 T1 오류(T1 error), 큐비트의 위상(phase)이 시간이 지난다.

따라 환경과의 상호작용으로 인해 변하여 정보가 손실되는 T2 오류(T2 error), 양자 연산을 위해 양자 회로에 추가되는 양자 게이트(quantum gate)들의 오류 및 측정(measurement) 오류 그리고 양자 큐비트 간에 발생하는 누화 오류(crosstalk error) 등의 양자 오류들은 양자 연산 결과의 신뢰성을 떨어뜨리고 양자 컴퓨터의 활용성을 제한시킨다. 이러한 양자 오류를 처리하는 방법에는 여러 가지가 있지만 3가지 대표적인 방법으로 나눌 수 있으며, 각각 오류 억제, 오류 완화, 오류 정정 방법이 존재한다.

오류 억제는 양자 오류 처리의 가장 기본적인 수준으로서 양자 오류에 대한 잠재적인 영향을 예측하고 방지할 수 있는 방법을 도입하는 기술을 나타낸다. 이러한 양자 오류 억제 기법으로는 양자 제노 효과(Quantum Zeno Effect: QZE), 동적 디커플링(Dynamic Decoupling: DD), 양자 피드백 제어(Quantum Feedback Control) 등 제어 펄스를 사용하거나 하드웨어에 근접한 수준에서 양자 시스템의 역학을 제어하여 오류의 발생을 사전에 처리한다.

양자 오류 완화에 대한 연구는 내결함성 양자 컴퓨팅을 위한 필수적인 연구로 NISQ 시대의 양자 연산 과정에서 발생하는 오류를 완화하고 고전 컴퓨터와 비교하여 양자 컴퓨터만의 실용적인 양자 연산을 가능하게 한다. 오류 완화 기법에는 양자 하드웨어의 물리적 제약 사항을 반영하여 오류의 영향을 최소화하며 양자 회로의 깊이를 줄이거나 오류가 발생 후 그 영향을 줄일 수 있는 알고리즘적 전략이 존재한다.

양자 오류 정정은 완전한 내결함성 양자 컴퓨팅을 위한 기법으로 양자 컴퓨터의 실용적인 활용을 가능하게 한다. 오류 정정 기법은 일부 물리적 큐비트에 오류가 발생하더라도 오류를 감지하고 수정하는 오류 정정 코드를 통해 프로세서가 오류가 없는 양자 연산을 수행하도록 제공한다.

하지만 양자 오류 완화 기법들은 양자 회로의 깊이에 따른 복잡도가 늘어날수록 오류완화 기법에 필요한 연산의 시간이 그만큼 증가하게 된다. 추후 양자 프로세서의 품질이 향상되고 물리적 큐비트의 수가 증가할수록 오류 완화와 오류 정정에 필요한 연산 시간의 격차는 줄어들 것이며 오류 정정을 위한 충분한 숫자의 구현이 이루어지면 오류 정정 기법을 통한 완전한 내결함성 양자 컴퓨팅이 가능해질 것이다.