양자컴퓨터는 고전컴퓨터가 수행할 수 없는 일들을 해낼 수 있어 주목받지만 아직 오류에 취약하고 이를 대규모로 정정할 수 있는 기술이 구현되지 않아 활용 영역이 제한적이다. 국내 연구팀이 오류정정이 없는 양자컴퓨터도 고온초전도 등 미지의 물리 현상을 규명하는 데 도움이 될 수 있다는 연구결과를 내놨다.
서울대는 김도헌 물리천문학부 교수와 조경민 박사과정생 연구팀이 다양한 양자컴퓨터 오류 완화 기법을 결합·개발해 오류가 있는 양자컴퓨터로 다체계 물리에서 중요한 문제를 푸는 데 필요한 알고리즘을 구현했다고 24일 밝혔다. 연구결과는 지난달 30일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
양자컴퓨터 데이터를 고전컴퓨터에 제공하는 하이브리드 방식은 고전컴퓨터만을 이용하는 기존 방식보다 더 많은 문제를 해결할 수 있다는 사실이 선행 연구에서 밝혀졌다. 이를 활용하면 다체(many-body)계 물리학에서 중요한 문제인 '바닥상태의 특성 예측'과 '서로 다른 양자상(quantum phase) 경계 구분'에 도움이 될 수 있다는 예측이 있었지만 양자컴퓨터의 오류 때문에 실험적으로 구현하기가 어려웠다.
바닥상태는 어떤 양자 시스템에서 가장 에너지가 낮은 상태로 양자 시스템의 성질 등을 결정하기 때문에 중요하다. 또 양자 효과에 의해 구별되는 다양한 물질 상태인 양자상 사이의 경계를 구분하면 고온초전도 같은 특성을 나타내는 특별한 양자상을 식별하는 데 도움이 된다.
연구팀은 오류를 정정하는 대신 특정 오류를 데이터 후처리를 통해 소거하는 '오류 완화' 기법을 개발하고 이를 적용해 양자컴퓨터의 데이터를 정제했다. 양자컴퓨터에서 충분히 데이터를 제공하자 고전컴퓨터에서도 양자 시스템의 바닥상태의 특징을 높은 정확도로 예측할 수 있었다.
연구팀이 개발한 하이브리드 기술로 '랜덤 호핑 모델'과 'SSH 모델'이라는 양자 시스템의 바닥상태 특징을 학습할 수 있다는 사실이 실험적으로 밝혀졌다.
또 특정 대칭이 유지될 때만 안정적인 양자상(Symmetry protected topological phase)과 여러 입자가 얽힌 상태로 존재해 분수 전하 등의 성질을 나타내는 양자상(Topologically ordered phase)을 구분하는 문제를 해결하는 데도 성공했다.
연구팀은 "이론적으로만 제시된 양자컴퓨터와 고전컴퓨터의 하이브리드 방식의 확장성과 유용성을 실험적으로 검증했다"고 밝혔다.
