"장점만 모았다"…세계 최초 '하이브리드' 양자컴 기술 개발

연구팀이 하이브리드 큐비트를 적용한 양자컴퓨팅 아키텍처 /사진=KIST

국내 연구팀이 양자컴퓨터의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 '하이브리드 방식' 양자 오류정정 기술을 세계 최초로 개발했다.

KIST(한국과학기술연구원)는 이승우 양자기술연구단 책임연구원이 이끄는 연구팀이 기존 기술의 장점만을 결합해 양자컴퓨터의 효율성과 안정성을 높인 신기술을 제시했다고 6일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 'PRX 퀀텀'에 지난 8월 게재됐다.


양자컴퓨터의 기본 단위인 '큐비트'는 외부 영향에 매우 취약하다. 잡음과 오류가 쉽게 발생한다. 큐비트 하나에서 발생한 오류를 줄이더라도, 양자컴퓨터의 크기가 커질수록 오류는 기하급수적으로 증가할 수 있다. 이 경우 양자컴퓨터는 입력된 알고리즘을 수행할 수 없고 연산도 불가능해진다.

큐비트에서 발생한 오류를 근본적으로 해결하는 기술이 양자 오류정정 기술이다. 오류가 양자컴퓨터의 연산 과정에서 증폭되지 않도록 막는다.

기존 양자 오류정정 기술은 크게 두 가지다. 큐비트 여러 개를 모아 오류정정 부호를 입력하는 '이산 변수(DV)' 방식과 무한 차원을 가진 단일 공간에서 오류정정 부호를 입력하는 '연속변수(CV)' 방식이다. 대표적 양자컴퓨팅 기업 IBM과 구글은 DV 방식을, 아마존과 자나두는 CV 방식을 개발 중인 것으로 알려져 있다.


연구팀은 이처럼 별도로 개발되던 DV와 CV 방식을 통합해 구현할 수 있는 하이브리드 기술을 처음으로 제시했다. 조작이 상대적으로 쉬운 DV의 장점과 자원 효율성이 더 높은 CV의 장점을 합쳤다.

이를 양자컴퓨팅 시스템에 적용해 시뮬레이션한 결과, 기존 방식보다 성능과 효율이 높은 것으로 나타났다. 연구팀이 광학 기반 양자 컴퓨팅에 하이브리드 기술을 적용하자 '광자 손실 임계값'이 기존 기술 대비 최대 4배 높아졌다. 광자 손실 임계값은 어느 정도까지 광자가 손실되더라도 안정적으로 양자 연산을 수행할 수 있는 한계치를 말한다. 또 양자 연산에 드는 자원은 기존의 13분의 1 수준으로 절약했다.

연구를 이끈 이승우 책임연구원은 이번 연구에 대해 "양자컴퓨팅 개발에 새로운 방향성을 제시한 연구"라며 "규모가 큰 양자컴퓨터를 개발하고 실용화하기 위해선 서로 다른 플랫폼의 장점을 통합한 하이브리드 기술이 중요해질 것"이라고 했다.

한편 KIST 주요 사업과 양자기술협력사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국 시카고대, 서울대와 공동으로 진행했다. KIST는 "공동연구 협약을 체결하고 연구를 시작한 지 불과 1년여 만에 얻은 중요한 성과"라고 밝혔다.