국내 연구진이 양자컴퓨팅 구현과 실용화에 필요한 핵심 기술인 '양자 오류정정'(Quantum error correction)'기술을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 연구 결과를 내놨다.

한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단 이승우 박사팀은 29일 독자적인 순수 국내 연구를 통해 세계 최고 수준의 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함 허용 양자컴퓨팅 아키텍처를 설계했다고 밝혔다. 연구팀은 이 기술은 범용 양자컴퓨팅 개발 선두 업체인 사이퀀텀(PsiQuantum)의 양자 오류정정 기술을 능가하는 것으로 입증됐다며 이 연구는 양자컴퓨팅 후발주자로서 세계 최고 수준 핵심 기술을 개발했다는 중요한 의미가 있다고 말했다.

양자 연산의 최소 단위인 큐비트(qubit)에 입력된 정보는 빠르게 손실되며 오류가 쉽게 발생하기 때문에 시스템 크기와 연산 규모가 커질수록 오류가 누적되면서 알고리즘 수행이 불가능해진다. 이를 해결하는 방법이 양자 오류정정이며, 범용 양자컴퓨터 성능은 최대 결함 허용 임곗값(Fault-tolerance threshold)으로 평가된다. 임곗값은 양자컴퓨팅에서 발생하는 오류를 얼마나 잘 보정할 수 있는지 나타내며, 오류정정 기술과 아키텍처 설계가 우수할수록 높은 값을 가진다.

사이퀀텀은 광자의 얽힘 자원, 퓨전 기법, 오류정정 기술을 활용한 양자텀퓨팅 아키텍처를 통해 최대 광손실 임곗값 2.7%를 기록하고 있다. 그러나 연구팀이 개발한 새 오류정정 기법과 양자컴퓨팅 아키텍처는 최대 광손실 임곗값이 14%로 사이퀀텀 방식의 성능을 크게 뛰어넘는 것으로 나타났다.

연구팀은 이 오류정정 기법은 동일한 광자 소모량으로도 사이퀀텀 방식의 기술보다 훨씬 우수한 자원 효율성을 기록, 미국 등 양자 분야 선도 국가들의 기술을 따라잡고 나아가 앞설 가능성을 보여줬다고 말했다. 또 이 기술에 대한 국내외 특허 출원을 마쳤다며 이 성과를 적용하면 독자적인 범용 양자컴퓨팅 시스템을 구축하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대했다.

이승우 박사는 "반도체 칩 설계 기술과 마찬가지로 양자컴퓨팅도 아키텍처 설계가 중요하다. 1천 개의 큐비트가 있어도 오류정정이 수행되는 구조가 아니면 한 단위의 논리 큐비트 연산도 어렵다"며 "양자컴퓨팅의 실용화는 아직 시간이 필요하지만, 이 연구가 그 시기를 조금 앞당기는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제 학술지 피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters. 8월 1일)에 게재됐다.