양자 획기적 발전: '마법 상태'가 이제 더 쉽고, 더 빠르고, 훨씬 덜 시끄러워졌습니다.

양자 마법 상태를 준비하는 획기적인 방법은 확장 가능한 양자 컴퓨팅의 걸림돌이 되는 연산 오버헤드를 대폭 줄일 수 있습니다. 출처: Shutterstock

수십 년 동안 기존 컴퓨터보다 수백만 배 빠른 계산 속도를 자랑하는 양자 컴퓨터는 매력적이면서도 아직 먼 미래의 목표로 남아 있었습니다. 그러나 양자 물리학의 새로운 돌파구가 그 목표를 앞당길지도 모릅니다.

PRX Quantum 에 게재된 논문에서  오사카 대학 공학과학 대학원과 양자 정보 및 양자 생물학 센터의 연구진은 극적으로 낮은 오버헤드와 전례 없는 정확도로 양자 컴퓨터에서 사용할 수 있는 고충실도 "매직 상태"를 준비하는 데 사용할 수 있는 방법을 고안했습니다.

양자 컴퓨터는 얽힘과 중첩과 같은 양자역학의 놀라운 특성을 활용하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 효율적으로 계산을 수행합니다. 이러한 기계는 공학, 금융, 생명공학 등 다양한 분야에서 혁신을 촉진할 수 있습니다. 하지만 이를 실현하기 위해서는 극복해야 할 중요한 장애물이 있습니다.

"양자 시스템은 항상 잡음에 매우 취약했습니다."라고 수석 연구원인 이토가와 토모히로는 말합니다. "온도의 아주 작은 변화나 외부에서 온 단 하나의 광자라도 양자 컴퓨터를 쉽게 망가뜨려 쓸모없게 만들 수 있습니다. 잡음은 양자 컴퓨터의 최대의 적입니다."

따라서 과학자들은 잡음에 노출되어도 정확하게 계산을 계속할 수 있을 만큼 견고한 소위 내결함성 양자 컴퓨터 개발에 큰 관심을 갖게 되었습니다. 여러 개의 잡음이 있는 양자 상태에서 하나의 고충실도 양자 상태를 생성하는 마법 상태 증류(Magic State Distillation)는 이러한 시스템을 구축하는 데 널리 사용되는 방법입니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다.

"마법 상태의 증류는 전통적으로 많은 큐비트가 필요하기 때문에 계산 비용이 매우 높은 과정입니다."라고 선임 저자인 후지이 케이스케는 설명합니다. "양자 계산에 필요한 고충실도 상태의 준비를 가속화할 방법이 있는지 알아보고 싶었습니다."

이러한 탐구를 바탕으로 연구팀은 마법 상태 증류의 "레벨-제로" 버전을 개발하기로 했습니다. 이 버전에서는 고장 허용 회로가 더 높고 추상적인 수준이 아닌 물리적 큐비트, 즉 "제로" 수준에서 개발됩니다. 이 새로운 방식은 훨씬 적은 큐비트를 필요로 할 뿐만 아니라, 수치 시뮬레이션에서 기존 버전에 비해 공간적 및 시간적 오버헤드를 약 수십 배 감소시켰습니다.

이토가와와 후지이는 양자 컴퓨팅 시대가 우리가 상상하는 것만큼 멀지 않다고 낙관합니다. 마법이라고 부르든 물리학이라고 부르든, 이 기술은 잡음에 강한 대규모 양자 컴퓨터 개발을 향한 중요한 발걸음을 내딛고 있음을 분명히 보여줍니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250621233816.htm