■ 연구성과

- 하이브리드 양자 얽힘을 이용하여 적은 자원으로 빠르고 정확한 양자 오류 수정 -

물리천문학부 정현석 교수 연구팀은 빠르고 정확한 오류의 수정이 가능한 양자컴퓨팅 방법을 설계하였다.

양자컴퓨터 연산의 기본단위인 큐비트는 쉽게 손상되어 오류를 발생시키는 특성이 있다. 양자컴퓨팅 연산중 일어나는 이러한 양자 오류의 발생과 누적은 정확한 연산을 불가능하게 만든다. 이는 실용적인 양자컴퓨터의 구현에 결정적인 장애물로 알려져 있다.

현재까지 큐비트 오류를 수정하는 다양한‘양자 오류수정’방법이 연구되었다. 그러나 양자 오류수정의 정확도를 높이기 위해서는 많은 양의 큐비트들과 연산 과정들이 추가적인 자원으로 소모된다. 이러한 자원소모량은 처리해야 하는 연산의 규모가 늘어날수록 기하급수적으로 증가한다.

이는 양자컴퓨터의 연산에 막대한 과부하가 걸리게 만들고 실용적인 양자컴퓨터의 구현을 불가능하게 하는 중대한 장애물이다. 따라서 빠르면서도 (즉 적은 양의 추가 자원을 사용하면서도) 동시에 정확한 양자 오류수정을 구현하는 것은 극히 어려운 문제로 여겨져 왔다.

연구진은 적은 양의 추가 자원을 이용하여 빠르게 작동하면서도 정확한 오류수정이 가능한 양자 오류수정 알고리듬을 제안하였다.

연구의 핵심 아이디어는 파동 성질을 가지는 부분과 입자 성질을 가지는 부분의 두 부분이 양자 얽힘을 이루고 있는 하이브리드 큐비트를 이용하여 가능한 적은 자원으로 최대한의 오류수정 정확도를 얻어내는 것이다.

   * 양자 얽힘: 여러 개의 입자들이 비고전적인 상관관계를 가지고 양자역학적으로 연결되어 있는 현상

연구진은 여러 개의 하이브리드 큐비트들로 이루어진 클러스터 상태라고 불리는 양자 얽힘 상태를 만든 후에 추가적인 게이트 연산 없이 오직 큐비트 측정만을 통해 오류수정을 포함한 범용 양자컴퓨팅을 수행하는 것이 가능함을 보였다.

하이브리드 큐비트의 파동 상태 부분의 간섭 효과를 이용하면 양자 측정의 성공률을 높일 수 있어 적은 수의 추가적 큐비트만을 가지고도 빠른 오류수정이 가능하다. 또한 입자 상태 부분의 성질을 이용하면 큐비트가 손실되는 오류가 발생할 때 입자의 수 줄어들게 되므로 연산 과정에서 이를 정확하게 찾아낼 수 있다.

이를 광학적 모델에 적용하여 기존에 알려진 모든 방법들보다 양자 오류수정에 요구되는 자원소모량을 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 오류수정의 정확도를 끌어올릴 수 있음을 증명하였다.

본 연구를 통해 실용적인 양자 컴퓨터 구현을 위한 주요 과제인 오류 수정의‘자원 과부하’와‘정확도’라는 두 가지 문제를 동시에 개선하여, 오류를 극복하는 본격적 양자컴퓨팅의 구현에 한 단계 더 가까워졌다. 연구결과는 Physical Review Letters에 출판될 예정(교신저자 정현석 교수, 제1저자 스리크리슈나 옴카 박사, 참여저자 용시아 테오 박사)이다.

[붙임] 1. 연구결과   2. 용어설명   3. 그림설명   4. 연구진 이력사항

자료제공 : 물리천문학부(02-880-2635)