양자 프로세서, 반복 오류 점검으로 혼돈에서 질서로의 전이 확인

미국 연구진이 156큐비트 IBM Quantum Heron 프로세서에서 반복적인 점검과 리셋으로 혼돈을 통제할 수 있음을 보였으며, 이는 결함 허용 양자컴퓨터에 필요한 메커니즘입니다. Nature Physics에 실린 이 연구는 실시간 오류 정정이 어떻게 작동할 수 있는지를 부분적으로 보여 줍니다. 결함 허용이란 컴퓨터가 계산을 수행하는 도중에 오류를 찾아 바로잡는 것을 뜻합니다.

오류 정정이 중요한 이유

오늘날의 양자컴퓨터는 규모가 작고 한계가 있는 시제품입니다. 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 측정되기 전까지 1일 수도, 0일 수도, 그 사이의 어떤 값(중첩)일 수도 있습니다. 바로 여기서 계산 능력의 기하급수적 증가가 나옵니다. 하지만 큐비트는 매우 민감해서 열이나 움직임에 쉽게 교란되기 때문에 오류 정정이 그토록 중요합니다.

“결함 허용 양자컴퓨터를 만들려면 이런 점검과 수정을 한두 번이 아니라 계산 중에 엄청나게 많이 해야 합니다”라고 러트거스대학교의 물리학자 제디디아 픽슬리(Jedediah Pixley)는 말합니다. “이 실험은 그 길에서 이정표가 됩니다.”

뒤섞기 대 제어

연구팀은 혼돈을 일으키고 이를 다시 바로잡도록 만든 2단계 시스템을 사용했습니다. 이들은 한 번에 최대 100개의 큐비트를 연결하고, 두 가지 작업을 번갈아 수행하도록 설정했습니다. 시스템 전체에 혼돈을 퍼뜨리는 뒤섞기(scrambling)와, 필요한 곳의 큐비트를 리셋하는 제어입니다.

“어려운 점은 큐비트를 단순히 측정하는 것이 아니라, 프로세서의 나머지가 계속 작동하는 동안 그것을 반복해서 하는 것이었습니다”라고 IBM 물리학자 마이카 타키타(Maika Takita)는 말합니다. “이번 실험은 현재의 하드웨어가 대규모 시스템 전반에서 양자 연산, 측정, 리셋을 수천 번 조율할 수 있음을 보여 줍니다.”

뚜렷한 전환점

연구진은 뒤섞기와 리셋 사이의 균형을 바꿔 가며 실험했습니다. 약 5,000번에 가까운 큐비트 연산과 거의 5,000번의 점검 및 리셋 가운데, 점검과 리셋이 전체 연산의 절반 넘게 차지하자 질서가 되돌아왔습니다. 큐비트를 더 추가할수록 데이터에서 전환점이 더 뚜렷해졌는데, 이는 물이 한꺼번에 얼음으로 변하는 것처럼 진정한 양자 상전이가 일어났다는 증거입니다.

“실험과 이론의 일치는 이것이 작은 회로의 우연한 특징이 아님을 보여 주었습니다. 양자 시스템 전체에서 나타나는 집단적 거동이었습니다”라고 플로리다대학교의 판하이닝(Haining Pan)은 말합니다. 루이지애나주립대학교의 저스틴 윌슨(Justin Wilson)은 이렇게 덧붙입니다. “혼돈과 제어 사이의 이런 전이가 양자물리학에서도 유지될지는 분명하지 않았지만, 우리 결과는 그렇다는 것을 보여 줍니다.”

저자들은 실제 양자컴퓨팅에서 쓸모가 있으려면 이 점검-리셋 방식을 더 복잡한 규칙으로 확장해야 한다고 지적합니다. 현재로서는 양자 시스템이 질서 있게 작동하도록 유지하는 피드백 루프의 스트레스 테스트 역할을 합니다. 더 많은 소식은 기술 섹션에서 확인하세요.