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Nikkei X-TECH_2024.7.19

오류를 정정할 수 있는 양자컴퓨터 'FTQC'
실현을 목표로 벤더 경쟁 격화

FTQC(오류 내성 범용 양자컴퓨터, Fault-Tolerant Quantum Computer)란, 양자 오류(에러) 정정 시스템을 도입한 양자컴퓨터를 말한다. 계산 중 오류가 발생해도 정정할 수 있어 정확한 계산이 가능해 실용성이 높아진다.

양자컴퓨터에 의한 계산은 양자비트(qubit)가 갖는 성질인 ‘양자 중첩’과 ‘양자 얽힘’의 특성을 이용한다. 양자 중첩은 1개의 양자비트로 '0'과 '1'의 정보를 동시에 표현할 수 있는 성질을 말한다. 한편, 양자 얽힘은 2개 이상의 양자비트가 서로 관여해, 1개의 양자비트를 관측하면 즉시 다른 양자비트의 상태가 확정되는 성질이다. 양자컴퓨터는 이들 2가지 성질을 이용해 고속으로 계산을 실행할 수 있다.

다만 양자컴퓨터에서 이용하는 양자비트(물리 양자비트)는 불안정하고, 약간의 온도 변화나 진동 등으로 오류가 생긴다. 그 때문에 다수의 물리 양자비트를 사용해 용장화(Redundancy)해, 양자비트의 잘못을 바로잡는 ‘양자 오류 정정’ 시스템이 필요하다.

현행 양자컴퓨터는 양자비트 수가 적어 양자 오류 정정이 불가능한 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum, 노이즈가 있는 중소 규모의 양자컴퓨터)로 불리는 단계다. NISQ는 다룰 수 있는 양자비트 수가 수백 정도로, 양자계산 과정에서 발생하는 오류를 정정하는 데 필요한 양자비트 수를 확보하지 못한다. 그 때문에 다룰 수 있는 문제의 규모가 한정적이 되면서 실용적인 문제를 풀기에 이르지 못하고 있다.

양자 오류 정정 기술을 갖춘 FTQC의 개발은 진행되고 있지만, FTQC의 실현은 2030년 이후가 될 것으로 보인다. 수백만의 물리 양자비트를 양자컴퓨터에 탑재할 필요가 있다고 알려져 있어 개발 허들이 매우 높기 때문이다. 그 때문에 양자컴퓨터를 다루는 벤더의 대부분은 FTQC의 전단계인 ‘Early-FTQC’의 개발을 추진하고 있다. Early-FTQC는 물리 양자비트 수가 수천에서 수만 정도다. FTQC보다도 적은 양자비트 수로 양자 계산의 유용성을 확인하고, 그 후에 구현 기반을 강화한다.

-- 오류 정정 기술 경쟁은 격화 --
FTQC의 연구는 전 세계에서 진행되고 있다. 주요 구현으로는 초전도 방식과 이온 트랩 방식, 원자 냉각 방식 등이 연구되고 있다. 다만 현 단계에서 어느 방식이 보급될지는 정해지지 않아 개발 경쟁은 더욱 격화되고 있다.

벤더 각 사는 개발 로드맵을 제시하고 있다. 예를 들면 후지쓰는 초전도 방식의 양자컴퓨터를 개발 중이다. 2025년 3월 256 물리 양자비트를 실현하고, 2026년도 이후에 1000 물리 양자비트 이상을 실현한다는 계획이다.

마찬가지로 초전도 방식을 개발하고 있는 미국 IBM은 2023년 12월에 133 물리 양자 비트를 탑재하는 새로운 프로세서 ‘Heron’과, Heron을 3개 탑재한 양자컴퓨터 ‘IBM Quantum System Two’를 발표했다. IBM은 여러 프로세서를 연결해 대규모화할 방침이다. 2025년에 156 물리 양자비트를 탑재하는 프로세서 ‘Flamingo’와, Flamingo를 7개 탑재하는 양자컴퓨터를 개발 예정이다. 2033년 이후에 2000 논리 양자비트를 탑재하는 프로세서 ‘Blue Jay’를 발표할 것으로 보인다.

FTQC의 실용화에는, 물리 양자비트 수의 확장 외에 비용 면에서도 과제가 있다. 후지쓰연구소의 사토(佐藤) 소장은 “비용 대비 효과도 동시에 추구할 필요가 있다”라고 지적한다. 양자컴퓨터의 인프라 정비에는 대규모 투자가 필요하다. 상업적 이용을 내다보고 개발을 진행해야 한다. 사토 소장은 “(초전도 방식에서는) 1개의 양자비트를 제어하는 양자 컨트롤러의 가격은 현재 약 300만엔이다. 양자비트가 증가하면, 그만큼 컨트롤러 비용도 증가하게 된다”라고 설명한다. 양자비트를 저비용으로 제어하는 방법을 모색해야 한다.

현재로서는 FTQC의 실용화를 향한 여정은 멀다고 할 수 있다. 다만 앞으로 기술 진보를 통해 양자계산 과정에서 생기는 오류 발생률이 떨어지면 필요한 양자비트 수가 감소할 가능성도 있다.

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