국내 연구진이 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터를 함께 활용하는 알고리즘을 통해 분자 구조를 계산하는 데 성공했다. 이를 통해 실용적인 양자 컴퓨터 개발이 한층 더 빨라질 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 양자정보연구단 김용수 박사팀이 단일광자의 광경로와 편광 등의 자유도를 이용해 2큐비트(qubit:양자컴퓨터의 연산단위) 양자연산 공간을 구현하고 이를 VQE(Variational quantum eigensolver)실험에 적용하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

VQE란 불완전한 양자컴퓨터의 성능을 보완하기 위해 고전컴퓨터를 함께 활용하는 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 방식의 알고리즘 중 하나다. 머신러닝이나 계산화학 등 실용적인 문제에 활용할 수 있다.

VQE의 성능은 양자 연산 공간 크기에 의해 제한되기 때문에 이 공간을 효율적으로 확장할수록 성능이 우수하다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀은 단일광자가 지닌 다양한 자유도를 동시에 사용해 양자 연산 공간을 수월하게 확장하는 방법을 제시한 뒤 이를 분자의 바닥상태(ground state, 양자역학에서 가장 낮은 에너지 상태)를 계산하는 VQE 실험에 적용했다.

또 불완전한 양자컴퓨터의 양자 오류를 효율적으로 보정하는 알고리즘을 개발해 노이즈가 많은 상황에서도 분자의 바닥 상태를 성공적으로 계산할 수 있음을 확인했다.

김 박사는 "광자 기반 양자컴퓨터로 계산한 분자는 기존 디지털 컴퓨터로도 충분히 풀 수 있는 수준이지만 이번 연구는 단일광자의 다양한 자유도를 이용해 양자컴퓨터의 연산공간 크기를 효율적으로 확장하는 새로운 방법을 제시했다"고 강조했다.

그는 "이번 연구가 실용적인 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 광학 분야 국제학술지 '옵티카'(Optica) 최신 호에 게재됐다.