구글의 Quantum Computing 연구
유용한 양자컴퓨터을 방해하고 있는 가장 큰 장벽 중 하나는 오늘날 디바이스가 얼마나 오류가 나기 쉬운가 하는 것입니다.
구글은 이 문제를 수정하고 더 큰 장치로 확장하는 방법에 대한 실험적인 데모를 제공했습니다.
양자 컴퓨터의 힘은 이국적인 양자상태를 조작하는 능력에 의한 것인데,
이러한 상태는 매우 깨지기 쉽고 열이나 전자기장과 같은 노이즈원에 의해 쉽게 동요됩니다.
이로 인해 계산에 오류가 발생할 수 있으며,
중대한 작업을 수행하기 전에 이들 디바이스에 오류 정정을 포함시켜야 한다고 널리 받아들여지고 있습니다.
문제는 오류를 확인하는 가장 명백한 방법이 양자 컴퓨터의 범위 밖이라는 것입니다.
양자 컴퓨터의 중심에 있는 큐비트는 일반 이진비트와 달리 중첩으로 알려진 상태로 존재할 수 있으며 그 값은 동시에 0과 1이 될 수 있습니다.
큐비트를 측정하려고 하면 이 상태가 0 또는 1로 붕괴되고 그것이 관여한 계산을 탈선시킵니다.
이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 얽힘이라 불리는 또 다른 양자 현상으로 눈을 돌렸습니다.
얽힘은 본질적으로 두 개 이상의 큐비트 상태를 연결합니다.
이는 다수의 큐비트를 묶어서 하나의 '논리 큐비트'를 만들어 단일 오버레이를 부호화하기 위해 사용할 수 있습니다.
이론적으로는 이를 통해 논리 큐비트의 전체적인 값이 파손되지 않고 개별 물리 큐비트의 오류를 검출하여 수정할 수 있게 됩니다.
이러한 오류를 검출하기 위해 오버레이를 부호화하는 이른바 '데이터 큐비트'도 '측정 큐비트'로 알려진 다른 것과 얽혀 있습니다.
이러한 큐비트를 측정함으로써 인접한 데이터 큐비트가 오류를 겪고 있는지, 어떤 오류인지, 그리고 이론적으로는 그 상태를 실제로 읽어 논리 큐비트의 중첩을 흐트러뜨리지 않고 이를 수정할 수 있습니다.
이 아이디어들은 새로운 것은 아니지만 이를 실행하는 것은 아직 어려운 것으로 판명됐고 계획이 얼마나 효과적인지에 대해서는 여전히 의문이 남아 있었습니다.
하지만 현재 구글은 52큐빗의 Sycamore 양자 프로세서에서 이 접근법을 실증하고
미래 내결함성 양자 컴퓨터 구축을 지원할 수 있도록 확장해야 함을 보여주었습니다.
논리 큐비트의 작성은 스태빌라이저 코드라고 불리는 것에 의존합니다.
스태빌라이저 코드는 다양한 물리 큐비트를 링크하여 정기적으로 오류를 체크하기 위해 필요한 조작을 수행합니다.
구글 연구자들은 Nature의 논문에서 어떻게 두 가지 다른 코드를 시험했는지 설명하고 있습니다.
하나는 번갈아가며 데이터 큐비트의 긴 체인을 만들어 큐비트를 측정하는 것이고,
또 다른 하나는 두 가지 다른 2차원 격자를 만든 것입니다.
구글 팀은 5개의 물리 큐비트로 리니어 코드 구현을 시작했고,
이후 서서히 그것을 21개로 확대했습니다.
중요한 것은 큐비트를 추가하면 오류를 억제하는 능력이 기하급수적으로 증가한다는 것을 처음으로 증명했다는 것입니다.
이는 사용 가능한 큐비트의 수가 증가함에 따라 논리 큐비트를 유지할 수 있는 시간이 크게 증가함을 시사합니다.
하지만 아직 갈 길이 멉니다.
첫째, 그들은 오류만 검출했을 뿐 실제로 잘못된 큐비트를 수정하는 과정을 테스트하지 않았습니다.
또, 리니어 코드는 2 종류의 주요한 에러(비트 플립과 페이즈 플립)를 검출할 수 있지만, 동시에 양쪽 모두를 검출할 수는 없습니다.
두 번째 코드는 두 종류의 오류를 검출할 수 있지만
이러한 검출을 수정에 매핑하는 것은 어렵습니다.
또, 이 설정은 에러 그 자체의 영향을 받기 쉬우며,
이 방법으로 에러 억제를 나타내려면, 물리 큐비트의 퍼포먼스를 향상시킬 필요가 있습니다.
하지만 이 같은 격자 기반 접근법은 구글이 미래 대규모 양자 컴퓨터에서 궁극적으로 오류 정정을 해결할 것으로 보고 있는 '서페이스 코드'에 대한 소규모 시도였습니다.
그리고 아직 거기에 있는 것은 아니지만 오류 억제가 가능한 문턱에 닿을만한 거리에 있다고 연구원들은 말합니다.
그들은 실용적인 양자 컴퓨팅은 아마도 논리 큐비트마다 1,000개의 물리 큐비트가 필요하기 때문에 기반이 되는 하드웨어는 아직 갈 길이 멀다고 지적하는 것으로 결론을 내렸습니다.
하지만 이 연구를 통해 오류 정정의 기본 원리는 건전하며 미래에 훨씬 큰 양자 컴퓨터를 지원할 수 있음이 분명합니다.
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