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Nikkei X-TECH_2024.8.9

FTQC 실현의 장벽 '양자 오류'
그 종류 및 정정 기술을 총정리

양자 오류(에러)는 양자 계산을 실행하는데 있어 최대 과제이다. 양자 정보를 담당하는 양자비트는 양자역학적인 '양자 중첩' 상태에 있지만, 외부 변화에 매우 민감해 그 상태를 유지하기가 어렵기 때문이다. 그러나 최근 몇 년간 양자 오류를 정정하는 여러 가지 기술들이 개발되면서 미래의 오류 내성형 양자컴퓨터(Fault-Tolerant Quantum Computer, FTQC) 실현에 대한 기대가 높아지고 있다. 양자 오류의 종류와 성질, 정정 기술 등을 종합해 정리해보았다.

< 양자 오류 정정>.
■ 기술의 개요
- 양자컴퓨터에서 발생한 오류를 정정하기 위한 기술
- 부호화 및 게이트 조작 등 다양한 방법이 고안되고 있다
- 2023년 이후, 세계적으로 신기술 개발이 가속화되고 있다
■ 활용 이미지
- 대규모 및 고정밀도의 양자 계산에 응용
- 새로운 양자 하드웨어 개발을 지원
- FTQC 실현을 위한 연구개발에 활용
■ 주요 업체
- IBM과 구글, 후지쓰 등 양자 관련 기업
- 구미의 대학 및 연구기관
- 오사카대학
- 도쿄대학
■ 보급 과제
- 오류 정정을 구현할 수 있는 하드웨어 개발
- 높은 전문성을 가진 양자 전문 인재 육성

우선, 양자비트의 특징에 대해 살펴보자. 통상적인 고전컴퓨터에서 비트는 0이나 1 중 어느 한쪽의 상태를 선택한다. 한편, 양자비트는 0과 1의 중첩 상태를 가진다. 이것은 양자역학 특유의 상태로, 양자컴퓨터의 계산에 이용할 수 있다. 하지만 노이즈의 영향을 받기 쉽고, 오류 정정이 어렵다는 과제도 있다.

양자비트에는 크게 나누어 ‘비트플립(Bit Flip, 부호 반전) 오류’, ‘페이즈플립(Phase Flip, 위상 반전) 오류’라고 하는 2 종류의 오류가 존재한다.

비트플립 오류는 양자비트의 0과 1의 상태가 의도치 않게 반전되는 현상이다. 비트플립 오류는 고전 비트에서도 동일하게 일어난다. 한편, 페이즈플립 오류는 고전 비트에는 없는 위상의 반전에 의한 것이다.

이러한 오류가 쌓이면 정확한 계산을 할 수 없게 된다. 그래서 양자컴퓨터에서는 비트플립 오류와 페이즈플립 오류를 모두 검출·정정할 필요가 있다.

-- 오류 검지와 부호화 --
하지만 양자 상태(양자 정보)는 읽기 시작하면 망가져 버린다. 복사도 불가능하다. 그렇다면 어떻게 원하는 양자비트의 양자 정보를 읽지 않고 오류를 밝혀낼 수 있을까? 그 해답은 ‘신드롬 측정’을 이용하는 것이다.

이것은 어느 양자비트에 오류가 일어났는가에 대한 정보의 힌트(신드롬)만을 양자 측정을 통해 읽어 내는 방법이다. 그 힌트에서 오류가 발생한 장소를 추정한다(복호화, 디코딩). 예를 들면, ‘양자 측정으로 얻은 신드롬을 디코딩하면 5번째 양자비트가 반전되었다고 추정할 수 있기 때문에 5번째 양자비트에 정정 작업을 적용하자’라는 식이다.

양자 오류 정정에서는 ‘부호화’라고 부르는 방법이 주로 사용된다. 이것은 복수의 물리 양자비트를 조합하여 용장화함으로써 일부 물리 양자비트에 오류가 생겨도 오류를 검출하여 상태를 복원할 수 있다. 지금까지 비트플립 오류와 페이즈플립 오류를 수정할 수 있는 여러 가지 양자 오류 정정 부호(QECC)가 고안되었다. 구체적으로는 ‘쇼어 부호(Shor's Nine-Qubit Code)’, ‘스틴 부호(Steane's Seven-Qubit Code)’ 등이 있다.

또한, 부호화에 의한 오류 정정을 사용하지 않고 양자 계산을 개선하는 오류 대책 방법으로는 ‘양자 오류 억제’가 있다. 줄일 수 있는 오류 수에 한계가 있지만, 추가적인 양자비트를 거의 필요로 하지 않아 용이하게 구현할 수 있다는 이점이 있다.

-- 오류 정정을 위한 양자 계산 --
양자컴퓨터에서는 양자 상태를 조작하는 양자 게이트를 조합해 양자 회로를 구성. 이 양자 회로에 양자 상태를 입력해 계산을 실행한다. 양자 게이트에는 중첩 상태를 만드는 ‘아다마르(Hadamard) 게이트’와 비트를 반전하는 ‘X게이트’, 위상 반전하는 ‘Z게이트’ 등이 있다. 이들을 조합해 오류 내성 등의 기능을 갖게 할 수 있다.

이러한 조합을 통해 모든 양자 계산이 가능하게 되는 기본 양자 게이트는 S, H, CNOT, T 등 4개가 있다(현행 고전컴퓨터의 AND, XOR, NOT게이트에 해당). 이 가운데 S, H, CNOT게이트를 '클리포드(Clifford) 게이트'라고 부르고, 클리포드 게이트와 기본 조작의 '파울리(Pauli) 게이트'를 이용하면 효율적으로 계산할 수 있다.

한편, 비(非)클리포드(non-Clifford) 게이트로 사용되는 T게이트의 양자 오류 정정에는 많은 물리 양자비트와 게이트 조작이 필요하게 된다. 계산에 많은 코스트가 들기 때문에 비클리포드 게이트를 효율화하는 연구가 추진되고 있다. 오사카대학과 후지쓰는 2023년 3월, T게이트 대신 새롭게 위상 회전 게이트를 도입해 임의 회전 실행에 필요한 게이트 조작 회수를 약 20분의 1로 줄이는 데 성공했다.

-- 하드웨어로의 구현에 진전 --
FTQC를 실현하려면 대규모 시스템에 대응하는 고도의 부호를 구현할 필요가 있다. 지금까지 다양한 부호화 방법이 검토되어 왔지만, 2014년에 부호화의 일종인 ‘표면 부호(Surface Code)’의 혁신적인 연구가 발표되면서 부호화에 대한 연구가 가속화되었다. 현재는 이 표면 부호가 오류 정정의 주류가 되고 있다.

2014년, 미국 UCSB(캘리포니아대학 산타바바라교)의 마르티니스 교수 연구팀이 고정밀의 양자 게이트 조작이 가능하다는 것을 증명했다. 이것은 표면 부호에 의한 오류 내성의 가능성을 보여준 것으로, 양자 연구가 가속화되는 계기가 되었다.

표면 부호는 고체 소자와 상성이 좋아 초전도 방식의 양자컴퓨터에서 많이 채택되고 있다. 한편, 최근 몇 년간 중성 원자 등 새로운 양자컴퓨터 개발이 추진되면서 표면 부호 이외의 기술도 주목 받고 있다. 양자 오류 정정에 대한 이론적 논의는 진행되고 있지만, 하드웨어로의 구현은 지금부터 본격화되고 있는 상황이다.

양자 오류 정정의 혁신적인 성과가 잇따라 나오면서 양자 업계에서는 2023년을 ‘양자 오류 정정의 원년’이라고 부른다. 구글과 IBM이 각각 부호화의 성과를 발표한 것 외에도 미국 하버드대학과 양자 스타트업인 미국 QuEra Computing의 연구그룹이 중성 원자 방식에 의한 오류 정정 기술을 발표했다. 이처럼 새로운 하드웨어 개발이 가속화되고 있는 가운데, 양자 오류 정정 기술의 진전이 주목 받고 있다.

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