양자 컴퓨터의 주요 구성체 양자 회로는 양자역학적 효과를 활용해 작업을 수행한다.

양자 회로(quantum circuit)는 오늘날 전자 장치에서 발견되는 기존 회로보다 훨씬 빠르고 정확하다. 그러나 실제로 양자 회로는 오류에서 자유롭지 못하다. 양자 회로의 효율을 극대화하는 것은 전 세계 과학자들에게 큰 관심거리다.

인도 과학연구소(IISc) 연구원들은 수학적 아날로그를 사용해 이 문제를 해결했다. 필요한 컴퓨팅 리소스 수를 명시적으로 계산하는 알고리즘을 고안해 최대 효율을 얻도록 최적화했다.

IISc의 고에너지물리센터 아닌다 신하(Aninda Sinha) 교수와 공동 연구진은 “우리는 이론적으로 가장 효율적인 회로를 구축하고 필요로 하는 자원의 양을 크게 줄일 수있었다”고 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표했다.

연구원들은 연구결과 양자 회로에 대해 가능한 최대 효율을 제안했다. 양자 회로 효율 최적화는 다양한 분야, 특히 양자 컴퓨팅에서 유용하다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 더 빠르고 정확한 결과를 제공할 뿐만아니라 더 안전하다. 해킹할 수 없기 때문에 디지털 금융 사기, 보안 침해 및 데이터 도난으로 부터 보호하는 데 유용하다. 또한 교통 문제 최적화 및 금융 시장 시뮬레이션과 같은 복잡한 작업을 처리하는 데에도 사용할 수 있다.

고전 회로는 범용 논리 게이트(NAND 및 NOR 게이트)로 구성되며 각 게이트는 입력에 대해 사전 정의된 작업을 수행해 출력을 생성한다.

연구진은 “아날로그적으로 양자 회로를 만들기위한 범용 양자 게이트가 있다. 실제로, 게이트는 100% 효율적이지 않다. 각 게이트의 출력과 관련된 오류가 항상있으며 그 오류를 제거 할 수 없다”고 말한다.

가장 효율적인 회로는 출력에서 오류를 최소화하지 않으며 동일한 출력을 얻는 데 필요한 자원을 최소화한다. 문제는 주어진 순 오류 허용치에서 양자 회로를 만드는 데 필요한 최소 게이트 수는 얼마인가다.

2006년 호주 퀸즐랜드대학교(University of Queensland)의 전 교수 마이클 닐슨 (Michael Nielsen)이 주도한 연구에 따르면 최대 효율을 달성하기 위해 게이트 수를 세는 것은 V볼륨(volume V)이있는 일부 수학적 공간에서 두 지점 사이의 거리가 가장 짧은 경로를 찾는 것과 같다. 별도의 2016 년 연구에 따르면 이 숫자는 V와 직접적으로 달라져야한다고 주장했다.

신하는 닐슨의 원래 작업을 검증해 그의 게이트 카운팅이 V에 대한 변형을 제공하지 않고 V2에 따라 달라지는 것을 확인했다고 설명했다. 이에 연구의 가정을 일반화하고 최적화 문제를 해결하기 위해 몇 가지 수정을 도입했다. 그는 “우리의 계산에 따르면 최소 게이트 수는 실제로 볼륨에 따라 직접적으로 다르다”고 말했다.

연구팀에 따르면 연구 결과는 효율성 최적화 문제를 끈 이론과 연계시키는 것으로 나타났다. 끈 이론은 우주 이론이 어떻게 작동하는지 설명하기 위해 중력과 양자 물리학 결합을 시도한 아이디어다.

신하와 그의 팀은 이 결과가 과학자들이 중력과 관련된 이론을 해석하는 데 도움이 될 수 있다고 믿고 있다. 또한 기존 방법으로는 이론적으로 시뮬레이션 할 수없는 특정 실험량을 계산하기 위해 양자 회로 컬렉션을 도출하는 것이 목표다.

*Arpan Bhattacharyya et al. Renormalized Circuit Complexity, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101602

*M. A. Nielsen. Quantum Computation as Geometry, Science (2006). DOI: 10.1126/science.1121541