양자 컴퓨터 오류 주범 ‘숨겨진 메모리’ 발견…기존 설계 가설 뒤엎다

양자 컴퓨터는 초고속 연산을 가능하게 할 미래의 기술로 각광받고 있지만, 내부에서 발생하는 미세한 오류들이 성능을 저해하는 고질적인 문제를 안고 있다. 최근 호주와 국제 공동 연구진은 이러한 오류가 단순히 일시적인 결함이 아니라, 시스템 내부에 축적되고 서로 연결되는 '숨겨진 기억'을 형성한다는 사실을 밝혀냈다.

19일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 호주 맥쿼리 대학교의 크리스티나 지아르마치 박사가 주도한 이번 연구는 양자 하드웨어의 비약적인 발전에도 불구하고 왜 여전히 양자 컴퓨터가 외부 자극과 노이즈에 취약한지에 대한 답을 제시했다.


그동안 대다수의 양자 컴퓨팅 프로토콜은 기계가 과거의 오류를 기억하지 않는다는 '마르코프(Markov)' 모델을 가정해 왔다. 즉, 현재 발생한 오류는 이전의 상태와 무관하다는 전제하에 설계됐다.

그러나 지아르마치 박사팀은 연구를 통해 오류가 여러 시점에 걸쳐 상관관계를 유지하는 '비마르코프(non-Markovian) 잡음' 현상을 발견했다. 양자 시스템이 시간의 흐름에 따라 오류를 저장하고, 이 오류가 진화하며 다음 단계의 연산에 영향을 미친다는 것이다.
인터레스팅 엔지니어링에 따르면 지아르마치 박사는 “양자 컴퓨터가 오류에 대한 메모리를 유지하고 있으며, 이러한 오류들이 연결되는 방식에 따라 고전적 혹은 양자적 잡음으로 나타난다”며 “이를 통해 노이즈가 발생하는 시점뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 어떻게 전달되는지 확인할 수 있었다”고 설명했다.


연구팀은 그동안 진전을 가로막았던 '양자 측정 시 상태 붕괴' 문제를 혁신적인 방법으로 해결했다. 양자 시스템은 중간에 측정하면 상태가 파괴돼 다음 단계로 넘어가는 과정이 단절되는데, 연구진은 측정 결과를 확률적으로 계산해 역추적하는 소프트웨어 기법을 도입했다.

이를 통해 연구진은 시스템의 이전 상태를 재구성하고, 동일한 칩 위에 있는 인접 큐비트 간의 상호작용으로 발생하는 미묘한 시간 연관 잡음 패턴을 포착해 냈다. 이 실험은 퀸즐랜드 대학교와 IBM의 클라우드 기반 초전도 양자 프로세서를 통해 실증됐다.


이번 연구 결과는 전 세계 양자 연구 커뮤니티에 큰 반향을 일으키고 있다. 오류가 발생하는 메커니즘을 정확히 진단할 수 있게 됨에 따라, 과학자들은 더욱 강력한 '오류 수정 도구'를 개발할 수 있는 발판을 마련했다.
스톡홀름 노르디타의 파비오 코스타 박사는 “하드웨어는 이미 충분한 가능성을 가지고 있었다”며 “우리가 찾아낸 것은 회로 중간 측정 후 시스템을 어떻게 재준비하고 관리해야 하는지에 대한 해답”이라고 강조했다.

연구팀은 이번 연구 데이터와 코드를 공개해 전 세계 연구자들이 양자 컴퓨터의 가장 어려운 숙제인 '노이즈 제어'를 해결하는 데 기여하도록 했다. 이번 연구의 상세한 내용은 국제 학술지 '퀀텀(Quantum)'에 게재됐다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com