양자컴퓨팅, '무질서 난제' 돌파...99.9% 충실도 확보 상용화 청신호

양자 컴퓨팅 분야의 최대 난제 중 하나인 '무질서 문제'를 획기적으로 해결한 연구 결과가 발표됐다고 양자 컴퓨팅 전문매체 퀀텀 자이트가이스트(Quantum Zeitgeist)가 최근 보도했다.

보도에 따르면 플랑크 연구소(독일)와 이탈리아 피사 대학교 공동 연구팀은 GRAPE(Gradient Ascent Pulse Engineering) 기술을 활용해 초전도 양자 컴퓨터의 물리적 구조적 결함을 극복하고, 99.9% 이상의 충실도를 달성했다고 국제 학술지 네이처 나노텍 최신호에 공개했다.

이번 성과는 대규모 양자 컴퓨터 상용화의 걸림돌을 제거했다는 평가를 받으며 학계의 주목을 받고 있다.


양자 컴퓨터의 초전도 큐비트는 미세한 제조 결함과 환경 변화로 인해 공진 주파수와 결합 강도가 변동되며, 이는 연산 정확도를 떨어뜨리는 치명적 약점으로 작용해왔다. 연구팀은 GRAPE 알고리즘(펄스 시퀀스를 실시간 최적화해 양자 게이트의 정확도를 높이는 기술)을 통해 펄스 시퀀스를 최적화함으로써, 큐비트 간 연결 오차를 보정하는 혁신적 접근법을 제시했다.
연구팀은 15큐비트 래더 구조(큐비트를 2차원 격자로 배열해 전역 제어가 가능한 아키텍처)에서 2% 수준의 무질서에도 불구하고 96% 충실도 달성했다. 특히 하다마드 게이트 연산은 160나노초 만에 완료되며, 기존 대비 처리 속도를 2배 이상 개선했다.

"GRAPE는 마치 악기의 음정을 실시간으로 튜닝하듯, 무질서 변수를 역이용해 정확도를 유지하는 기술"이라고 연구팀은 설명했다.


자이트가이스트에 따르면 연구는 전역 제어(Global Control) 아키텍처를 기반으로 진행됐다. 이는 모든 큐비트를 하나의 신호로 제어해 배선 복잡도를 줄이는 방식이지만, 개별 큐비트의 미세한 결함에 취약하다는 한계가 있었다.

이런 한계를 극복하는 해결 방안으로 큐비트 배열의 2차원 사다리 구조를 모델링해, 주파수 편차와 결합 강도 변동이 연산에 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 그 결과, 큐비트 주파수 오차가 결합 강도 변화보다 더 큰 영향을 미친다는 사실을 확인했다.

연구팀은 "이번 실험이 소규모 시스템에서 검증됐으나, 이론상으로는 100큐비트 이상의 대형 시스템에도 적용 가능하다"며 향후 계획을 밝혔다.


현재 상용화 단계의 초전도 양자 컴퓨터는 IBM, 구글 등이 주도하고 있지만, 대량 생산 시 발생하는 결함으로 인해 충실도 저하 문제가 반복돼 왔다. 이번 연구는 현실적인 제조 조건(예: 2% 수준의 무질서)에서도 고성능을 유지할 수 있음을 입증해, 산업계 적용 가능성을 높였다.

"대규모 시스템에서 GRAPE 최적화의 계산 비용을 줄이는 것이 다음 목표"라며, 머신러닝 기반 알고리즘 도입을 검토 중이라고 연구팀은 덧붙였다.

이번 연구는 양자 컴퓨터의 '하드웨어 결함'과 '소프트웨어 최적화'가 결합해 실용적 한계를 돌파한 사례로 기록될 전망이다. 업계 관계자는 "GRAPE 기술이 상용화되면 양자 컴퓨터의 내구성과 확장성이 동시에 개선될 것"이라며 기대감을 표했다. 한편, 연구팀은 이달 스위스 제네바에서 열리는 국제 양자 정보 과학 컨퍼런스에서 추가 실험 데이터를 공개할 예정이다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com


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