초전도 “양자 컴퓨터”-2… 양자 오류 완화

양자 오류 완화를 위한 기법

2024-08-13 김맹근 기자

사진 : pixabay

[디지털비즈온 김맹근 기자] 양자 오류가 양자 연산에 미치는 영향을 최소화하기 위해서 다양한 양자 오류 완화 기법들이 존재한다. 이 장에서는 주요 양자 오류 완화 기법으로 확률적 오류 제거(Probabilistic Error Cancellation: PEC) 제로 노이즈 외삽(Zero Noise Extrapolation: ZNE)을 소개하고 이를 보완하기 위한 노이즈 인식(noise-aware) 폴딩 기법, 누화 오류 완화를 위한 누화 오류 모델링, 초전도 양자 컴퓨터의 큐비트 연결 방식을 기반으로 한큐비트 레이아웃 최적화 기법에 대해 설명한다.

확률적 오류 제거는 노이즈가 있는 양자 회로에서 오류를 완화하고 이상적인(오류가 없는) 기댓값을 추정하는 기법이다. 이는 노이즈가 있는 양자 연산을 무작위로 샘플링하여 각 연산에 대응하는 가상의 역연산을 적용함으로써 오류의 영향을 상쇄시키고 최종 적으로 오류가 완화된 기대값의 평균을 얻는다.

ZNE 기법은 노이즈가 존재하는 양자 시스템을 다양한 노이즈 수준에서 동작시켜 기댓값을 계산하고 이를 통해 노이즈가 없을 때의 이상적인 기댓값을 추정하는 방법이다.

다시 말해, 양자 회로를 여러 번 실행하면서 의도적으로 노이즈를 추가하거나 조절하여, 서로 다른 노이즈 수준에서의 기댓값을 얻고 결과 값들을 분석하여, 노이즈가 존재하지 않을 때의 기댓값을 추정한다.

다양한 노이즈 수준에서 기댓값을 얻는 과정을 노이즈 스케일링(noise scalling)이라 부르며 외삽(extrapolation)은 반복되는 과정 중 이전 단계에서 측정된 기댓값으로부터 노이즈가 없는 상태의 기댓값을 추정하는 것을 의미한다.

누화 오류는 양자 컴퓨터의 연산에 있어 치명적인 영향을 미치는 오류 중 하나로 양자 컴퓨터 내 큐비트 간의 불필요한 상호 작용으로 인해 발생한다. 누화 오류의 원인으로는 큐비트를 제어하기 위한 제어 신호가 의도치 않게 인접 큐비트에 영향을 미치거나 제조 과정 중의 물리적 설계의 결함으로 인해 발생할 수 있다.

이러한 누화 오류를 완화하기 위해서는 먼저 누화 오류의 영향을 특성화하여 누화 오류가 미치는 영향의 정도를 모델링하는 것이 중요하다. 이를 위해 사용되는 기법으로 RB(Randomized Benchmarking), SRB(Simultaneous Randomized Benchmarking) 기법들이 존재한다.

IBM Quantum에서는 양자 컴퓨터를 제공하는 클라우드 플랫폼인 IBM 클라우드 플랫폼을 통해 양자 컴퓨터를 유지ㆍ보수하고 전 세계 관련 연구자들에게 액세스를 제공한다. 지속적인 연구 개발을 통해 양자 컴퓨터와 프로세서는 꾸준히 갱신되며 이에 맞춰 새로운 양자 컴퓨터의 하드웨어 특성에 맞는 오류 완화 연구가 수행되어야 한다.

2023년 12월에 발표된 Heron 프로세서 기반의 ibm_torino의 경우 큐비트 연결 방식이 튜너블 커플러(tunable coupler) 방식이다. 튜너블 커플러는 두 개의 초전도 큐비트를 가변적으로 결합할 수 있는 소자로서 이 결합의 강도를 조절하여 큐비트 간의 상호작용을 정밀하게 제어할 수 있다.

튜너블 커플러는 물리적 큐비트 간의 결합을 능동적으로 조절할 수 있어, 알고리즘 입력으로 주어진 양자 회로와 물리적 큐비트 간 상관관계를 분석하고 하드웨어 제약 사항(ex. Frequency Collision)을 만족하는 최적의 큐비트 배치를 찾아내어 양자회로의 깊이와 오류율을 최소화한다.

결론적으로 양자 컴퓨터에서 발생하는 오류를 완화하는 것은 완전한 내결함성 양자 컴퓨팅으로 가기 위한 과정으로 다양한 방법들이 연구되고 있으며 지속적으로 발전하는 양자 하드웨어의 조건을 고려하는 것이 중요하다. 본 고에서는 NISQ 시대의 양자 컴퓨터에서 발생하는 오류와 이를 위한 오류 처리 기술들인 오류 억제, 오류 완화, 오류 정정에 대해 간략하게 살펴보았다.

NISQ 시대의 실용적인 양자 연산을 위한 다양한 오류 완화 기법은 소프트웨어와 하드웨어를 아우르는 다층적인 접근을 통해 발전하고 있다. 주어진 문제와 하드웨어의 특성에 맞는 최적의 조합을 고려하여 오류 완화 기법을 적용하고 기존 기법들을 개선해 나가는 노력이 필요할 것이다.