고전 컴퓨터를 압도하는 양자 컴퓨터(Quantum computers) 현실화를 위한 핵심 테스트가 설계됐다.

영국 잉글랜드 워릭 대학(University of Warwick) 과학자들은 양자 컴퓨터가 어려운 문제에 대한 결과를 자체 확인할 수 있는 프로토콜을 만들어 과도한 리소스를 사용하지 않고 양자 컴퓨터가 올바르게 작동하는지 확인할 수 있는 방안을 제시했다.

연구원들은 양자 컴퓨터의 출력에서 노이즈(noise)의 영향을 정량화하는 프로토콜을 개발했다. 노이즈는 양자 머신 하드웨어에 영향을 주지만 온도 변동이나 제조상의 결함과 같이 사용자가 통제할 수 없는 것으로 정의된다. 양자 컴퓨팅 정확성에 영향을 줄 수 있다.

적용 결과, 테스트는 양자 컴퓨터가 정확한 결과에 얼마나 근접 했는지 추정과 사용자가 그 근접성을 확신할 수 있는 정도에 대한 두 비율을 산출한다. 이 테스트는 양자 컴퓨터 제작자가 미래의 양자 컴퓨팅의 유용성을 확립하는 핵심 단계인 성능 개선을 위해 기계가 올바르게 작동하고 있는지 판단하는 데 도움이 된다.

연구결과는 18일(현지시각) 뉴저널오브피직스(New Journal of Physics)에 게재됐다.

A six-qubit example of target circuit. credit:New Journal of Physics.

지난 몇 년 동안 전례없는 실험적 발전이 있었다. 양자 컴퓨팅 성능은 6 개월마다 두 배, 구글은 이중지수적 성능 향상과 양자 우위(quantum supremacy) 구현을 보고하기도 했다.

양자 우위는 양자 컴퓨터의 개발에서 이정표를 말하는데, 양자 컴퓨터는 고전적인 컴퓨터로는 불가능한 정도의 연산을 빠르게 수행하는 시점이다.

연구진은 논문 서두에서 “양자 컴퓨터는 현재의 지평을 넘어 컴퓨팅 기능을 확장 할 것을 약속한다. 구글(google), 리게티 퀀텀 컴퓨팅(Rigetti quantum computing) 등 몇몇 업체는 소위 ‘Noisy Intermediate-Scale Quantum(NISQ)’ 컴퓨팅 등 특정 작업에서 기존 슈퍼 컴퓨터를 능가할 수 있는 최초의 양자 컴퓨터 프로토 타입을 구축하기 위한 연구를 하고 있다. 상태 준비, 게이트 및 측정과 같은 내부 동작이 모두 잡음이 많기 때문에 NISQ 디바이스에서 구현 된 계산의 출력은 신뢰할 수 없다. 따라서 이러한 출력을 인증할 수 있는 프로토콜을 고안하는 것이 필수적”이라고 밝혔다.

양자 컴퓨터는 두 가지 일을 하는 경우에만 유용하다. 첫째, 어려운 문제를 해결한다는 것이다. 두 번째로, 어려운 문제를 올바르게 해결한다는 것이다. 이제까지는 문제가 잘못 계산되면 찾을 방법이 없었다. 논문은 계산 결과가 얼마나 정확한지 결정하는 방법을 다룬다.

워릭대 물리학과 에니메시 다타(Animesh Datta) 연구원은 “양자 컴퓨터가 어려운 문제에 대한 정답을 만들어 냈는지 여부를 결정하는 것은 정의상 문제가 기존의 고전적인 컴퓨터의 범위를 벗어나기 때문에 중요한 과제”라고 말했다.

양자 컴퓨터가 올바로 대답했는지 확인하려면 일반적으로 고전 컴퓨터를 사용해 문제를 해결해야 하지만 이는 한계가 있다. 그 대신 연구원들은 양자 컴퓨터를 사용해 이미 알고 있는 많은 계산을 쉽게 수행하고 그 결과의 정확성을 확립하는 대체 방법을 제안했다.

연구원들은 양자 컴퓨터가 정답에서 얼마나 멀리 떨어져 있는 지에 대한 통계적 경계를 설정할 수 있다는 데 착안했다. 컴퓨터 프로그래머가 답을 알고 있는 작은 기능을 활용, 큰 프로그램을 검사하는 데 사용하는 프로세스와 유사하다. 프로그램이 이것들에 충분히 응답하면 전체 프로그램이 정확하다는 것을 확신 할 수 있다.

다타는 “양자 컴퓨터를 사용하는 데 있어 중요한 점은 문제를 해결하기 위해 기하급수적 시간을 소비하지 않는 것이다. 우리 방법은 기하급수적 자원이 필요하지 않기 때문에 효율적이다. 우리는 양자 컴퓨터를 점검하기 위해 클래식 컴퓨터가 필요하지 않다. 이 방법은 대용량 서버와 독립적으로 사용할 수 있는 양자 시스템 내에 자체 포함돼 있다”고 말했다.

수석 저자 사무엘 페라신(Samuel Ferracin)은 양자 컴퓨팅 테스트를 작업에 통합할 수 있는 방법을 개발하고 있다. 그는“지난 몇 년 동안 양자 컴퓨터의 답을 확인하고 실험자에게 제안하는 새로운 방법에 대해 생각했다… 연구를 통해 기존의 양자 컴퓨터에 적합하고 모든 주요 제한 사항을 포함하는 방법을 성공적으로 개발했다. 이제 실제 기계에서 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 실험자들과 협력하고 있다”고 말했다.

양자 컴퓨팅은 양자 물리의 특이한 특성을 활용, 기존 컴퓨터와 완전히 다른 방식으로 정보를 처리한다. 여러 다른 상태에 동시에 존재하는 것과 같은 양자 시스템을 이용, 모든 상태의 데이터를 동시에 처리하도록 설계해 기존 컴퓨팅에 비해 큰 이점을 제공한다. 암호 해독 및 물리 화학에서 발견되는 것과 같은 특정 종류의 문제는 양자 컴퓨팅 속성을 활용하는 데 특히 적합하다.

* 논문명 : Accrediting outputs of noisy intermediate-scale quantum computing devices
* 저 자 :Samuele Ferracin, Theodoros Kapourniotis and Animesh Datta