한양대 권영헌 교수팀, 양자컴퓨터 상용화 핵심기술인 '양자 오류 정정' 회로 세계 최초로 구현

한양대학교 ERICA캠퍼스 수리물리연구실 권영헌 교수 연구팀이 IBM이 개발·운영하는 양자컴퓨터에서 계산 도중 생기는 오류를 컴퓨터가 스스로 찾아 고치는 '양자 오류 정정 회로(syndrome extraction circuit)'를 세계 최초로 구현해 냈다.

이번 연구는 양자컴퓨터 상용화의 핵심 기술인 '양자 오류 정정(Quantum Error Correction·오류가 생겨도 올바른 값을 복원하는 방식)' 분야에서 중요한 기술적 진전으로 평가된다.

양자컴퓨터는 기존의 고전 컴퓨터가 처리하기 어려운 복잡한 계산을 빠르게 수행할 잠재력을 지니고 있다. 하지만 열, 진동, 전자기파 등 외부 환경에 민감한 큐비트(qubit·양자컴퓨터에서 정보를 저장·처리하는 기본단위)의 특성상 계산 도중 큐비트 상태가 바뀌며 오류가 쉽게 발생한다는 한계가 있다. 특히 회로 규모가 커질수록 오류가 누적돼 계산 정확성이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

27일 한양대에 따르면 권 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 IBM의 비위상적(non-topological) 구조(물리적으로 오류에 강하지 않은)를 가진 양자 하드웨어에서 특정 패턴의 오류가 발생했음을 알려주는 보조 큐비트인 '플래그 큐비트(flag qubit)'를 이용해 오류 정정 회로를 구현했다. 기존 IBM 시스템에서는 하드웨어 제약으로 인해 오류 정정 회로의 구현이 어려웠다. 연구팀은 플래그 큐비트를 도입해 오류를 효과적으로 검출하는 '신드롬 추출 회로(syndrome extraction circuit)'를 완성했다.

연구팀은 반복 코드(repetition code·같은 정보를 여러 큐비트에 반복 저장해 오류 발생 시 다수결로 오류를 고치는 방식)를 적용해 실험을 수행한 결과, 코드의 거리(오류를 견디는 척도, 거리가 클수록 오류 정정 능력이 높다)가 3에서 9로 증가할수록 논리적 오류율(logical error rate)이 꾸준히 감소하는 현상을 확인했다. 또한 데이터 큐비트와 오류 검출용 큐비트가 물리적으로 떨어져 있거나 그 사이에 플래그 큐비트가 존재하더라도 동일한 경향이 나타나 플래그 큐비트의 실질적 효과가 입증됐다. 이는 플래그 큐비트를 활용한 회로가 실제 하드웨어 제약 속에서도 효과적으로 작동함을 보여준다.

이번 연구는 대규모·오류내성(fault-tolerant) 양자컴퓨팅 실현을 향한 중요한 이정표로 평가된다. 향후 양자 하드웨어의 안정성 향상과 실용적 양자컴퓨터 개발에 이바지할 것으로 기대된다.

권 교수는 "이번 연구는 IBM 상용 양자 프로세서에서 오류 정정 회로의 효용성을 실험적으로 증명했다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 더 복잡한 코드로 확장하면 실제 오류 억제 성능을 한층 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 양자물리 분야 세계적 학술지 '퀀텀(Quantum·양자)'에 지난 24일 게재됐다. 한양대 김영훈 석사 졸업생이 제1저자, 권 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 양자정보과학 인적기반 조성사업 및 개인기초연구사업의 지원으로 수행됐다.