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Nikkei X-TECH_2024.6.19

50만 양자비트로 슈퍼컴퓨터 능가
오류 정정 기술 개발로 빨라지는 양자계산기의 실용화

현재, 양자컴퓨터 업계에서는 다양한 양자 오류(에러) 정정 기술이 개발되고 있다. 양자컴퓨터의 최대 과제라고도 할 수 있는 양자 오류를 줄일 수 있다면, 먼 미래의 이야기로 여겨졌던 양자컴퓨터의 실용화가 빨라지기 때문이다. 양자컴퓨터의 하드웨어 성능 요건이 완화될 전망이다. 어느 정도의 규모가 필요할지 기자는 취재를 통해 알아보기로 했다.

양자 오류를 정정하면서 오류가 없는 양자 계산을 실행할 수 있는 오류 내성형 범용 양자컴퓨터(FTQC)는, 흔히 100만 양자비트(물리 양자비트)가 필요하다고 한다. 이 규모의 양자컴퓨터가 있으면 효소반응의 해석 등 많은 용도에서 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 계산능력을 발휘할 수 있게 될 전망이다. 게다가 암호의 해독 등에 사용되는 2048비트의 소인수 분해에는 2000만 양자비트가 필요하게 될 것이라는 시산도 있다.

그러나 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 고속으로 문제를 풀기 위해 얼마나 많은 계산 리소스가 필요할지는 지금까지 정량적으로 평가되지 않았다. 양자비트를 담당하는 하드웨어나 양자 회로의 설계, 효율적인 오류 정정 기술 등 이제 막 개발을 시작한 단계로, 시스템 전체를 고려한 논의를 하지 못했기 때문이다. 그래서 이 문제를 밝히는 연구가 현재 진행되고 있다.

-- 50만 양자비트로 슈퍼컴퓨터 능가를 검증 --
내각부가 주도하는 문샷형 연구개발 제도에서 도쿄대학 대학원 공학계 연구과의 고아시(小芦) 교수가 이끄는 이론 프로젝트에서는, NTT의 연구그룹을 중심으로 양자컴퓨터 전체의 기술 레이어를 고려한 이론 모델을 구축하고 있다. 초전도 방식의 양자컴퓨터에서, 오류 내성이 있는 양자 계산에 필요한 양자비트 수나 논리연산을 산출할 수 있다. 연구자가 새로운 하드웨어나 오류 정정을 생각했을 때, 아이디어의 유효성을 용이하게 조사할 수 있는 툴로서 이용할 수 있다.

예를 들면, ‘이 부호를 사용하면 오류율을 줄일 수 있지만, 게이트 속도가 떨어진다’ ‘필요한 양자비트 수는 이 정도로, 계산 시간은 이만큼 단축할 수 있다’와 같은 식으로 성능을 시뮬레이션 할 수 있게 된다. 실제로 이 모델을 사용해 물성물리학 계산에 사용되는 하이젠베르크 모형의 기저 에너지를 추정할 경우, 50만 양자비트가 있으면 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 성능을 달성할 수 있다는 것을 알았다.

지금까지 많은 연구자는 극히 한정된 레이어의 연구에만 대응하고 있어, 기술 레이어 전체의 영향을 검증할 수 없었다. 복잡한 시스템에서는 성능을 추정하는 데 한계가 있다. 그래서 이 툴을 사용함으로써 연구개발을 가속할 수 있다고 기대한다.

NTT와 고아시 교수 등은 여러가지 하드웨어나 부호(코드)를 평가할 수 있는 ‘크로스 레이어 협조 설계 모델’을 2025년에 구축할 계획이다. 최근 개발이 진행되는 중성 원자 방식이나 실리콘 방식의 하드웨어 평가 등에도 응용할 수 있을 것 같다. 최종적으로는 ‘다른 기술 레이어에 걸친 과제의 해결’ ‘개별 레이어에서의 성능 개선이 전체에 주는 영향의 평가’ ‘최첨단 양자 계산기의 설계’에 응용할 생각이다.

-- 1자리 수 적은 양자비트에서도 우위성 --
양자컴퓨터에서는, 푸는 문제의 종류에 따라서는 소규모의 계산 리소스로도 고전 컴퓨터를 뛰어넘는 성능을 발휘할 수 있는 경우가 있다. 도쿄대학은 초전도 방식의 양자컴퓨터를 물성물리학에 응용할 경우에 지금까지 생각했던 숫자보다 1자리수 이상이나 적은 계산 리소스로 양자 우위성을 실현할 수 있음을 밝혔다.

도쿄대학 대학원 공학계 연구과의 요시오카(吉岡) 교수 연구팀은 양자 알고리즘을 해석함으로써 양자 초월성을 달성하기 위한 이론적인 최소 조건을 구했다. 연구에서는 양자컴퓨터의 양자 알고리즘으로서 양자위상추정(QPE)법을 활용했을 때의 계산 시간을 이론 해석하고, 고전 컴퓨터의 알고리즘으로서 텐서 네트워크법을 슈퍼컴퓨터 상에서 실행해 해석하여 양자를 비교했다. QPE에서의 최적 설계를 특정한 후, 10억 이상의 양자 게이트를 쓰는 등 정밀한 해석으로 계산 시간을 구했다.

이에 따라, 물성물리학에서의 중심적인 타깃군인 '2차원 강상관 양자 다체 모형'에서, 수십만 양자비트의 양자컴퓨터에서 양자 우위성을 실현할 수 있다는 것을 알았다. 이 레벨의 하드웨어는 2030년대에 실현 가능하다는 예측이 있어, 가까운 미래에 실현할 수 있을 전망이다. 요시오카 교수는 “앞으로도 여러가지 모델을 검토하고, 물성물리나 재료화학 등 여러가지 분야에 응용해 가고 싶다”라고 말한다.

물론, 양자컴퓨터의 성능을 결정하는 요소는 양자비트 수만이 아니라 하드웨어의 종류나 오류율, 구성하는 양자 회로의 좋고 나쁨에도 영향을 받기 때문에 논의는 복잡하다. 다만, 오류 정정 기술에 의해서 양자컴퓨터에 요구되는 하드웨어 성능 요건이 완화되는 것은 틀림없다. 지금의 오류 정정 트렌드가 양자컴퓨터의 실용화를 저해하는 벽을 돌파하는 원동력이 되기를 기자는 강력히 기대하고 있다.

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