실용 양자 컴퓨터의 주요 기술적 과제는 계산 중에 누적되는 오류를 처리하기 위해 많은 물리적 큐비트가 필요하기 때문이다. 이러한 양자 오류 수정은 리소스 집약적이며 계산 시간이 많이 소요된다.

과학자들은 양자 회로의 상당한 압축을 통해 하드웨어 개발에 대한 요구를 완화하는 효과적인 소프트웨어 접근법을 찾았다.

양자 컴퓨터는 여전히 상업적 현실과는 거리가 멀지만 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 수백 또는 수천 배 더 빠르게 계산할 수 있는 ‘양자 이점(quantum advantage)’은 초기 원리 증명 실험에서 NISQ(Noisy Intermediate-Scale QuantumNoisy Intermediate-Scale Quantum)로 달성됐다.

NISQ 장치는 작동 중에 누적되는 많은 오류에 취약하다. 양자 이점을 실제로 적용하려면 오류 내결함성이 높은 대규모 양자 컴퓨터 설계가 필요하다. 현재 NISQ 디바이스는 약 100큐비트로 엔지니어링할 수 있지만 내결함성 컴퓨터는 충분히 낮은 오류율로 논리 정보를 인코딩하려면 최소한 수백만 개의 물리적 큐비트가 필요하다.

양자 계산 회로의 내결함성 구현은 양자 컴퓨터를 더 크게 만들 뿐만 아니라 런타임도 수십 배 더 길어진다. 확장된 런타임 자체는 계산이 오류에 훨씬 더 취약함을 의미한다. 하드웨어의 발전으로 이러한 리소스 격차가 해결될 수 있다. 일본 NII(National Institute of Informatics)와 NTT(Nippon Telegraph and Telephone Corporation) 연구원은 대규모 내결함성에서 양자 회로를 압축해 소프트웨어 개발 측면의 문제를 해결했다.

지 접근법은 잠재적으로 하드웨어 개선의 필요성을 줄여준다. NII 연구원이자 11월 11일 피지컬 리뷰 X(Physical Review X)에 발표한 논문 저자 중 한 명인 마이클 헨크스(Michael Hanks)는 “양자 회로를 압축함으로써 양자 컴퓨터의 크기와 런타임을 줄일 수 있으며, 결과적으로 오류 보호에 대한 요구 사항이 줄어든다”고 말했다.

대규모 양자 컴퓨터 아키텍처는 제대로 작동하기 위해 오류 수정 코드에 의존하며, 가장 일반적으로 사용되는 것은 표면 코드와 그 변형이다. 연구진은 이러한 변형 중 하나인 3-D 토폴로지 코드의 회로 압축에 초점을 맞추었다. 이 코드는 분산 양자 컴퓨터 접근 방식에 특히 잘 작동하며 다양한 하드웨어에 광범위하게 적용할 수 있다. 3D 토폴로지 코드에서 양자 회로는 인터레이스 튜브 또는 파이프처럼 보이며 일반적으로 “편조 회로(braided circuits)”라고 한다. 편조 회로의 3D 다이어그램을 조작, 압축해 볼륨을 줄일 수 있다. 지금까지 문제는 그러한 “파이프 조작(pipe manipulation)”이 임시적인 방식으로 수행된다는 것이었고, 이를 수행하는 방법에 대한 부분적인 규칙만 있었다.

NII의 공동 저자 마르타 에스다렐라스(Marta Estarellas)는 “이전의 압축 접근법은 그 결과로 생성된 양자 회로가 올바른 지 여부를 보장할 수 없었다. 이러한 압축 규칙 중 하나가 적용될 때마다 정확성을 확인하기 위해 매우 주의해야 한다. 이러한 작업은 전체 양자 회로를 실행하는 정도로 어렵기 때문에 중요한 문제”라고 말했다.

연구팀은 이 중간 단계의 컴파일을 위한 언어로 ZX- 미적분을 사용할 것을 제안한다. ZX-미적분은 큐비트 프로세스를 직관적으로 표현할 수 있도록 2000년대 후반에 개발된 2D 다이어그램 언어(단어 대신 다이어그램 및 이미지 사용)다. 더 중요한 것은 완전한 조작 규칙 세트와 함께 제공된다는 것이다.

연구진은 논문에서 ZX- 미적분과 편조 회로의 구성 요소 간의 변환 관계를 발견하여 ZX- 미적분을 활용한다. 연구자들은 ZX 미적분 안에 숨겨져 있던 새로운 해석을 식별함으로써 논리적 게이트 회로의 이 두 가지 표현이 서로 매핑 될 수 있음을 보여주었다. ZX- 미적분 언어는 일련의 변환 규칙을 적용하여 기본 수학적 의미(및 작동)를 변경하지 않고 회로의 구조를 변경하여 정확성을 보장할 수 있다.

개념적 구조를 신중하게 변경함으로써 회로의 부피를 최소화 할 수 있으며, 이 새로운 구조가 실제 편조 양자 회로에 매핑되면 상당한 압축률을 달성할 수 있다. 이 기술을 적용하여 연구원들은 최대 77 %의 압축 감소를 보고했다. 이는 이전 노력에 비해 40% 감소 수준이다.

NTT의 연구 과학자 윌리엄 먼로(William J. Munro)는 “압축 방법과 그 추가 개발은 예정보다 몇 년 앞서 실제 내결함성 양자 컴퓨터의 실현을 제공할 수 있다”고 강조했다.

NII의 양자 정보 과학 글로벌 연구 센터 소장 카에 네모토(Kae Nemoto)는 “흥미롭게도 미래 운영 체제 개발의 기초가 될 수 있다. 이러한 소프트웨어 개발이 완전히 확장 가능한 양자 컴퓨터에 구현되려면 여전히 수년이 걸릴 수 있지만, 우리의 방법은 그 동안 하드웨어 개발과 관련된 많은 노력을 아낄 수 있다”고 말했다,