양자 컴퓨터 실용화의 핵심 과제는 ‘양자 오류정정(Quantum Error Correction)’ 기술 개발이다. 이 기술은 양자 연산의 기본 단위인 큐비트에서 발생하는 오류를 근본적으로 해결하고, 그 오류가 연산 과정에서 증폭되는 문제를 방지하는 역할을 한다. 양자 오류정정 없이는 양자 컴퓨터가 기존의 고전 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘하는 것이 사실상 불가능하다는 점에서, 현재 전 세계적으로 이 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 이승우 박사 연구팀은 세계 최초로 이산 변수(DV)와 연속 변수(CV)의 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술을 개발하고, 이를 기반으로 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처를 설계했다고 밝혔다. 

양자 오류정정이 가능하도록 설계된 큐비트를 논리 큐비트라고 하며, 구현 방법은 이산 변수(Discrete Variable, DV)와 연속 변수(Continuous Variable, CV)의 두 가지 방식이 있다. IBM, Google, Quera, PsiQuantum 같은 기업들은 이산 변수(DV) 방식으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있으며, 아마존(AWS), 자나두(Xanadu) 등은 연속 변수(CV) 방식을 채택하고 있다. 이 두 방식은 각각 조작 난이도와 자원 효율성 측면에서 장단점이 있다.

KIST 연구진은 기존에 따로 개발되던 DV와 CV 방식 큐비트의 오류정정을 통합하는 방법을 제시했다. 하이브리드 기술을 기반으로 결함 허용 아키텍처를 개발, 수치 시뮬레이션을 통해서 이 기술이 각 방식의 장점을 결합해 더 효율적이고 효과적인 양자 연산과 오류정정이 가능하다는 점을 입증했다. 특히, 광학 기반 양자 컴퓨팅에서 이 하이브리드 방식을 적용하면 기존 기술 대비 최대 4배 높은 광자 손실 임계값을 달성할 수 있으며, 같은 수준의 논리 오류율을 유지하면서도 필요한 자원을 13배 이상 절약할 수 있는 것으로 나타났다.

KIST 이재학 박사는 "본 연구에서 개발한 하이브리드 방식의 양자 오류정정 기술은 광학 기반 시스템뿐만 아니라 초전도 및 이온트랩 시스템과도 결합이 가능하다"고 설명했다. 본 연구를 주도한 KIST 이승우 박사는 “이번 연구는 양자컴퓨팅 개발에 새로운 방향성을 제시한 연구”라며, “규모있는 양자컴퓨터의 개발과 실용화를 위해서는 서로 다른 플랫폼의 장점을 통합하는 하이브리드 기술이 중요해질 것으로 예측된다”고 밝혔다.

KIST는 지난해 3월 시카고대학교와 체결한 양자기술 공동 연구 업무협약(MOU)을 맺고, 양 기관과 서울대를 포함한 공동연구로 진행됐다. 연구진은 국제 연구협력을 통해 불과 1년여 만에 이 같은 중요한 성과를 발표하며, 매우 치열한 양자 컴퓨팅 분야에서 세계를 선도할 핵심 기술을 개발할 수 있는 가능성을 보여줬다. KIST는 ‘양자 오류정정 핵심기술 개발’을 위한 국제공동연구센터를 주관하고 있으며, 시카고대, 서울대, 캐나다 양자컴퓨팅 기업 자나두(Xanadu)가 파트너 기관으로 참여하고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요 사업과 양자기술협력사업(2022M3K4A1094774)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「PRX Quantum (IF: 9.2 JCR 분야 상위 1.9%)」에 8월 2일 게재*됐다. 

 * (논문명) Fault-Tolerant Quantum Computation by Hybrid Qubits with Bosonic Cat Code and Single Photons

[그림 1] 하이브리드 큐비트를 이용한 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처

DV 큐비트와 CV 큐비트를 동시에 활용하는 하이브리드 큐비트를 기반으로 한 결함허용 양자컴퓨팅 아키텍처. 하이브리드 퓨전 기법을 활용해 하이브리드 큐비트를 연결하여 오류 정정이 가능한 격자 구조를 형성함.

[그림 2] 광손실 결함허용 임계값 및 자원 소모량 그래프 

하이브리드 방식과 기존 광기반 방식의 결과를 비교한 광손실 결함허용 임계값 및 자원 소모량 그래프. 본 연구에서 제안한 하이브리드 방식은 기존 방식에 비해 4배 이상의 광손실 결함허용 임계값을 달성하였으며 자원 소모량 측면에서도 13배 이상 크게 향상되었음.