과학자들은 "불가능"을 시뮬레이션했습니다. 마침내 결함 허용 양자 코드가 해독되었습니다.

양자 컴퓨터는 소위 양자 중첩으로 동시에 엄청나게 많은 서로 다른 상태를 표현할 수 있는 능력 덕분에 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다. 이러한 상태 중첩을 표현하는 것은 매우 어렵습니다. 이제 한 연구팀은 몇 가지 관련 양자 상태 중첩을 시뮬레이션하는 비교적 간단한 방법을 발견했습니다. 그림은 연속 변수 양자 컴퓨터 내부에서 생성할 수 있는 이러한 중첩 중 하나를 보여줍니다. 연구팀은 이러한 상태들이 서로 상호작용할 때 어떻게 변하는지 관찰할 수 있었고, 이미지에서 볼 수 있는 것과 같은 파동 패턴을 사용하여 이러한 변화를 시뮬레이션할 수도 있었습니다. 출처: 찰머스 공과대학교 I Cameron Calcluth

양자 컴퓨터는 실제 사용 사례로 나아가는 과정에서 여전히 큰 난관에 직면해 있습니다. 바로 발생하는 계산 오류를 수정하는 능력의 한계입니다. 진정으로 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 연구자들은 기존 컴퓨터를 사용하여 양자 계산을 시뮬레이션하여 정확성을 검증할 수 있어야 합니다. 이는 필수적이면서도 매우 어려운 과제입니다. 이제 스웨덴 찰머스 공과대학교, 밀라노 대학교, 그라나다 대학교, 도쿄 대학교의 연구진은 세계 최초로 특정 유형의 오류 수정 양자 계산을 시뮬레이션하는 방법을 공개했습니다. 이는 견고한 양자 기술 개발에 있어 중요한 도약입니다.

양자 컴퓨터는 현재 슈퍼컴퓨터로는 처리할 수 없는 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 가까운 미래에 양자 기술의 컴퓨팅 능력은 의학, 에너지, 암호화, AI, 물류 분야의 문제 해결 방식을 근본적으로 혁신할 것으로 예상됩니다.

이러한 기대에도 불구하고, 이 기술은 양자 계산에서 발생하는 오류를 수정해야 하는 중대한 과제에 직면해 있습니다. 기존 컴퓨터 역시 오류를 경험하지만, 이미 확립된 기술을 사용하면 문제가 발생하기 전에 빠르고 안정적으로 수정할 수 있습니다. 반면, 양자 컴퓨터는 훨씬 더 많은 오류를 발생시킬 수 있으며, 이러한 오류를 감지하고 수정하는 것도 더욱 어렵습니다. 양자 시스템은 아직 내결함성이 뛰어나지 않아 완전히 신뢰할 수 있는 시스템을 제공하지 못합니다.

양자 계산의 정확성을 검증하기 위해 연구자들은 기존 컴퓨터를 사용하여 계산을 시뮬레이션하거나 모방합니다. 따라서 연구자들이 시뮬레이션에 관심을 갖는 특히 중요한 양자 계산 유형 중 하나는 외란을 견뎌내고 오류를 효과적으로 수정할 수 있는 것입니다. 그러나 양자 계산의 엄청난 복잡성은 이러한 시뮬레이션을 극도로 어렵게 만듭니다. 심지어 세계 최고의 기존 슈퍼컴퓨터조차도 결과를 재현하는 데 우주의 나이만큼 걸릴 수도 있습니다.

찰머스 공과대학교, 밀라노대학교, 그라나다대학교, 도쿄대학교의 연구진은 오류 수정에 특히 적합하지만 지금까지 시뮬레이션이 매우 어려웠던 특정 유형의 양자 계산을 정확하게 시뮬레이션하는 방법을 세계 최초로 제시했습니다. 이 획기적인 성과는 양자 연구의 오랜 난제를 해결합니다.

"기존 방법으로는 효과적이지 않았던 특정 유형의 양자 계산을 시뮬레이션하는 방법을 발견했습니다. 이는 이제 오류 정정 코드를 사용하여 오류 내성을 갖춘 양자 계산을 시뮬레이션할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 미래에 더욱 우수하고 견고한 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필수적입니다."라고 찰머스 대학교 응용 양자 물리학 박사이자 Physical Review Letters 에 최근 게재된 연구의 제1 저자인 캐머런 캘클루스는 말했습니다.

오류 수정 양자 계산 - 까다롭지만 중요하다

양자 컴퓨터의 오류 수정 능력은 그 기본 구성 요소인 큐비트에서 비롯됩니다. 큐비트는 엄청난 연산 능력을 가질 수 있는 잠재력을 지녔지만 동시에 매우 민감합니다. 양자 컴퓨터의 연산 능력은 중첩이라는 양자역학적 현상에 의존합니다. 즉, 큐비트는 1과 0, 그리고 모든 중간 상태를 어떤 조합으로든 동시에 가질 수 있습니다. 큐비트가 추가될 때마다 연산 용량은 기하급수적으로 증가하지만, 그에 따른 대가로 교란에 매우 취약하다는 단점이 있습니다.

캘클루스는 "주변에서 진동, 전자기파, 온도 변화 등의 아주 작은 소음만 있어도 큐비트가 잘못 계산하거나 심지어 양자 상태, 즉 결맞음을 잃어 계산을 계속할 수 없게 만들 수 있다"고 말했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 오류 정정 코드를 사용하여 정보를 여러 하위 시스템에 분산함으로써 양자 정보를 손상시키지 않고 오류를 감지하고 정정할 수 있습니다. 한 가지 방법은 큐비트의 양자 정보를 진동하는 양자 역학 시스템의 여러, 어쩌면 무한한 에너지 준위로 인코딩하는 것입니다. 이를 보손 코드라고 합니다. 그러나 보손 코드를 이용한 양자 계산 시뮬레이션은 여러 에너지 준위 때문에 특히 어렵고, 연구자들은 지금까지 기존 컴퓨터를 사용하여 이를 안정적으로 시뮬레이션할 수 없었습니다.

연구자들의 솔루션에 새로운 수학 도구 키 추가

연구진이 개발한 방법은 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 코드라고 알려진 보손 코드를 사용하는 양자 계산을 시뮬레이션할 수 있는 알고리즘으로 구성됩니다. 이 코드는 주요 양자 컴퓨터 구현에 일반적으로 사용됩니다.

"양자 정보를 저장하는 방식은 양자 컴퓨터의 오류 수정을 용이하게 하여 잡음과 교란에 덜 민감하게 만듭니다. GKP 코드는 매우 양자역학적 특성이 강하기 때문에 기존 컴퓨터로 시뮬레이션하기가 매우 어려웠습니다. 하지만 이제 우리는 이전 방법보다 훨씬 효과적으로 이를 수행할 수 있는 독특한 방법을 마침내 발견했습니다."라고 찰머스 응용 양자물리학과 부교수이자 이 연구의 공동 저자인 줄리아 페리니는 말합니다.

연구진은 새로운 수학적 도구를 개발하여 알고리즘에 해당 코드를 적용하는 데 성공했습니다. 이 새로운 방법 덕분에 연구진은 이제 양자 컴퓨터의 계산을 더욱 신뢰성 있게 시험하고 검증할 수 있게 되었습니다.

페리니는 "이것은 우리가 이전에는 테스트할 수 없었던 양자 계산을 시뮬레이션하는 완전히 새로운 방법을 열어주는데, 이는 안정적이고 확장 가능한 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필수적입니다."라고 말했습니다.

연구에 대한 자세한 내용

"실제적인 홀수 차원 Gottesman-Kitaev-Preskill 상태를 갖는 회로의 고전적 시뮬레이션"이라는 논문이 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 저자는 Cameron Calcluth, Giulia Ferrini, Oliver Hahn, Juani Bermejo-Vega, Alessandro Ferraro입니다. 연구진은 스웨덴 찰머스 공과대학교, 이탈리아 밀라노 대학교, 스페인 그라나다 대학교, 일본 도쿄 대학교에서 활동하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250702214157.htm