과학자들은 양자 컴퓨터가 수행한 작업의 대부분을 잊어버린다는 사실을 발견했습니다.

양자 회로의 잡음은 초기 단계의 신호를 흐리게 하여 최종 단계의 신호만 결과에 영향을 미치게 합니다. 이는 복잡한 양자 시스템조차도 예상보다 훨씬 단순하게 작동하는 경우가 많다는 것을 의미합니다. (사진 제공: Shutterstock)

각 도미노 조각이 완벽한 순서대로 다음 조각에 닿아야 만족스러운 최종 결과가 나오는 정교하게 짜인 도미노 체인을 상상해 보세요.

양자 회로는 이와 유사한 방식으로 작동합니다. 양자 회로는 정보를 고도로 조율된 방식으로 처리하기 위해 함께 작동하는 여러 개의 작은 단계("연산")로 구성됩니다.

이제 도미노들이 약간 불안정한 상태를 상상해 보세요. 양자 시스템에서 이러한 불안정성을 "잡음"이라고 합니다. 처음에는 사소해 보일 수 있지만, 작은 교란이라도 시간이 지남에 따라 축적되어 전체 순서에 영향을 미칠 수 있습니다.

잡음이 양자 컴퓨팅 성능을 제한하는 방식

이는 중요한 질문을 제기합니다. 양자 회로의 모든 단계가 노이즈의 영향을 받는다면, 회로의 복잡성을 높이는 것이 여전히 이점을 제공할까요? 양자 회로는 고전 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 해결하고자 하는 양자 컴퓨터와 같은 기술에 필수적입니다.

새로운 이론 연구에서 이 문제를 심층적으로 탐구했습니다. 연구진은 노이즈가 양자 회로의 깊이, 즉 순차적으로 수행할 수 있는 단계의 수에 엄격한 실질적 한계를 둔다는 사실을 발견했습니다. 또한 노이즈 덕분에 이러한 회로의 일부를 기존 컴퓨터를 사용하여 시뮬레이션하는 것이 더 쉬워질 수 있다는 점도 보여주었습니다.

이번 연구는 EPFL의 아르만도 앙그리사니와 이후이 켁, 베를린 자유대학교의 안토니오 안나 멜레, 코펜하겐 대학교의 다니엘 스틸크 프랑카가 주도했으며, 연구 결과는 네이처 피직스(Nature Physics) 에 발표되었습니다 .

마지막 단계만이 중요한 이유

연구팀은 잡음의 영향을 이해하기 위해 간단한 2큐비트 연산으로 구성된 대규모 양자 회로 그룹을 조사했습니다. 그들의 모델은 각 큐비트가 매 단계마다 잡음을 경험하는 현실적인 조건을 포함했습니다.

수학적 분석을 통해 각 계층의 영향이 회로를 통해 어떻게 전달되는지 추적했습니다. 그 결과, 대부분의 잡음이 있는 양자 회로에서는 마지막 몇 단계만이 결과에 유의미한 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다.

회로가 아무리 복잡하게 설계되더라도, 이전 연산의 영향은 점차 사라집니다. 도미노 비유를 들자면, 마치 마지막 조각들만이 최종 결과를 결정하는 것과 같습니다.

이는 실질적인 의미를 갖습니다. 양자 컴퓨터를 사용하여 큐비트의 에너지나 상태와 같은 속성을 계산할 때, 결과는 마지막 레이어에 의해 크게 좌우됩니다. 초기 연산은 노이즈가 누적됨에 따라 사실상 "메모리에서 사라지게" 됩니다.

잡음이 심한 양자 회로도 훈련될 수 있는 이유는 무엇일까요?

이번 연구 결과는 잡음이 있는 양자 회로도 특정 작업을 위해 조정하거나 "훈련"할 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 회로 설정을 변경하면 결과에 영향을 미칠 수 있지만, 이는 주로 최종 레이어가 여전히 능동적인 역할을 하기 때문입니다.

결과적으로, 노이즈의 영향을 받는 깊은 회로는 얕은 회로와 매우 유사하게 동작합니다. 대부분의 초기 단계가 더 이상 의미 있는 방식으로 기여하지 않기 때문에 단계를 추가한다고 해서 반드시 성능이 향상되는 것은 아닙니다.

이것이 미래 양자 기술에 미치는 영향은 무엇일까요?

이 연구는 현재의 양자 컴퓨터가 현실적으로 달성할 수 있는 것에 대한 더 명확한 그림을 제시합니다. 단순히 회로 깊이를 늘리는 것만으로는 많은 일반적인 작업, 특히 국소 측정에 기반한 작업에서 더 나은 결과를 얻기 어려울 것입니다.

향후 발전은 잡음을 줄이거나 잡음에도 불구하고 효과적으로 작동할 수 있는 회로를 설계하는 데 달려 있을 가능성이 높습니다. 이 연구는 또한 잠재적인 오해를 지적합니다. 잡음이 있는 회로도 학습 가능한 것처럼 보일 수 있지만, 이는 부분적으로 잡음이 이미 회로의 유효 복잡성을 감소시켰기 때문입니다. 잡음을 단순한 흐릿함으로 취급하면 양자 컴퓨팅의 진정한 능력에 대해 비현실적인 기대를 갖게 될 수 있습니다.

기여자

• 베를린 자유대학교
• EPFL
• 소르본대학교
• 시카고대학교
• 프라운호퍼 하인리히 헤르츠 연구소
• ENS 리옹
• 와 함께

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260406045126.htm