미국 에너지부(DOE) 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소)의 물리학자 및 컴퓨터 과학자 팀은 고 에너지 물리학 및 천문학에 기반 양자 컴퓨팅 분야에 공통 오류 감소 기술을 성공적으로 적용했다.

아 원자 입자와 거대 입자 탐지기, 먼 은하와 거대 망원경의 세계에서 과학자들은 불확실성을 다루는 법을 배웠다. 그들은 종종 연구를 복잡하게 만들 수 있는 다른 입자 상호 작용과 배경 “노이즈”의 거대한 얽힘에서 극도로 희귀한 입자 상호 작용을 찾아내거나 천문학적 해상도를 향상시키기 위해 대기 왜곡과 성간 먼지의 영향을 걸러 내려고 한다.

이미징 또한 모든 입자 상호 작용을 기록하거나 입자의 에너지를 정확하게 측정하는 기능과 같은 검출기의 고 한 문제로 인해 연결된 전자 장치에서 데이터를 잘못 읽을 수 있으므로 과학자는 복잡한 필터를 다음과 같은 형식으로 설계해야 했다.

오류 범위를 줄이고 가장 정확한 결과를 반환하기 위해 컴퓨터 알고리즘의 잡음 및 물리적 결함의 문제, 오류의 빈도와 심각도를 줄이는 오류 수정 및 오류 완화 알고리즘의 필요성은 양자 컴퓨팅 분야에서도 일반적이다.

고 에너지 물리학 차동 단면 측정 간의 연결을 보여주는 개략도(왼쪽)와 양자 컴퓨터의 반복 측정 결과 해석(오른쪽). credit: npj Quantum.

버클리 연구소의 ATLAS 그룹의 일원으로 CERN에서 입자 물리학 실험에 참여하고있는 버클리 연구소의 물리학자인 벤 네치먼(Ben Nachman)은 양자 컴퓨팅 연결을 확인하면서 연구의 공동 저자 버클리 연구소의 이론 물리학자 크리스탄 바우어(Christian Bauer)와 함께 입자 물리학 계산 작업을 수행했다.

ATLAS는 세계에서 가장 크고 가장 강력한 입자 충돌기 CERN의 LHC에있는 4개의 거대 입자 탐지기 중 하나다. LHC에서의 실험에서 양성자라고 불리는 입자는 초당 약 10억 번의 속도로 충돌한다. 극도의 노이즈와 에너지 분해능 및 감지기와 관련된 기타 요인과 관련된 본질적인 문제에 대처하기 위해 물리학자들은 오류 수정 기술 및 기타 데이터 필터를 사용하여 이 입자를 가장 유용하고 정확한 것으로 파악한다.

네치만은 “현재의 양자 컴퓨터도 매우 시끄럽다는 것을 알았다. 이 노이즈를 줄이고 오류를 최소화하는 방법(오류 완화)을 찾는 것이 양자 컴퓨팅 발전의 열쇠다. 한 종류의 오류는 사용자가 수행하는 실제 작업과 관련이 있고, 다른 하나는 양자 컴퓨터의 상태를 읽는 것과 관련이 있다”고 말했다.

첫 번째 종류는 게이트 오류이고 후자는 판독 오류라고 한다. 최근 연구는 고 에너지 물리학 커뮤니티에 익숙한 ‘반복 베이지안 전개(IBU)’라고 하는 판독 오류를 줄이는 기술에 중점을 둔다. 이 연구는 이 접근법의 효과를 다른 오류 수정 및 완화 기술과 비교한다. IBU 방법은 이미 알려진 이 이벤트와 관련된 다른 조건이 있을 때 이벤트가 발생할 확률을 찾는 수학적 방법을 제공하는 베이즈 정리를 기반으로 한다.

연구팀에 따르면 이 기술이 범용 게이트 기반 양자 컴퓨터로 알려진 고전 컴퓨터의 양자 아날로그에 적용될 수 있다.

정보를 전달하기 위해 양자 비트 또는 큐비트에 의존하는 양자 컴퓨팅에서 양자 중첩으로 알려진 취약한 상태는 유지하기가 어렵고 시간이 지남에 따라 붕괴될 수 있으므로 큐비트가 1 대신 0을 표시하게 된다. 판독 오류의 일반적인 예다.

중첩은 양자 비트가 동시에 0, 1 또는 둘 모두 나타낼 수 있음을 제공한다. 이것은 1 또는 0을 나타내는 비트에 의존하지만 한 번에 둘 다를 나타내는 기존 컴퓨팅에서는 불가능한 고유한 컴퓨팅 기능을 가능하게 한다.

양자 컴퓨터에서 판독 오류의 또 다른 원인은 컴퓨터 아키텍처로 인한 큐비트 상태의 잘못된 측정이다. 이 연구에서 연구원들은 세 가지 다른 오류 수정(또는 오류 완화 또는 전개) 기술의 성능을 비교하기 위해 양자 컴퓨터를 시뮬레이션했다. 그들은 IBU 방법이 매우 시끄럽고 오류가 발생하기 쉬운 환경에서 더 강력하고 더 일반적인 노이즈 패턴이 있는 경우 다른 두 방법보다 약간 우수한 성능을 발견했다.

성능은 IBM의 양자 컴퓨터용으로 개발된 오픈 소스 양자 컴퓨팅 소프트웨어 개발 도구 모음의 일부인 ‘Ignis’라는 오류 수정 방법과 매트릭스 반전 방법으로 알려진 매우 기본적인 전개 방식과 비교됐다. 연구원들은 시뮬레이션 된 양자 컴퓨팅 환경에서 1,000개 이상의 의사 실험을 생성, IBU 방법의 결과가 예측에 가장 가깝다는 것을 발견했다. 이 분석에 사용된 잡음 모델은 ‘IBM Q 요하네스버그(Johannesburg)’라는 20 큐비트 양자 컴퓨터에서 측정됐다.

네치만은 “우리는 고 에너지 물리학에서 매우 일반적인 기술을 가져와 양자 컴퓨팅에 적용했으며 실제로 잘 작동했다. 가파른 학습 곡선이 있었다. 나는 이것을 번역하고 양자 컴퓨터에서 구현하는 방법을 알고 있는지 확인하기 위해 양자 컴퓨팅에 관한 모든 종류의 것들을 배워야했다” 말했다.

연구에는 버클리 랩의 DOE OASCC(Office of Advanced Scientific Computing Research) 양자 알고리즘 팀과 ARQC(Accelerated Research for Quantum Computing) 프로젝트를 이끌고 있는 버트 드 종(Bert de Jong) 등이 참여했다.

연구원들이 테스트 한 오류 수정 및 오류 완화 기술은 양자 컴퓨터의 크기가 커짐에 따라 더 많은 컴퓨팅 리소스를 필요로 함에 따라 더 큰 큐비트 어레이를 사용하는 양자 컴퓨터에서 방법을 보다 쉽게 관리할 수 있도록 하는 방법에 초점을 맞추고 있다.

연구팀은 양자 컴퓨팅 오류의 또 다른 주요 원인, 게이트 오류를 줄이는 방법을 제안하는 초기 연구에 참여했다. 그들은 양자 컴퓨팅의 오류 수정 및 오류 완화에 궁극적으로 여러 기술을 조합하여 혼합 및 일치 접근 방식이 필요할 수 있다고 생각한다.

연구는 최근 ‘npj Quantum’ 저널에 발표됐다.

*Benjamin Nachman, Miroslav Urbanek, Wibe A. de Jong, Christian W. Bauer. Unfolding quantum computer readout noisenpj Quantum Information, 2020; 6 (1) DOI: 10.1038/s41534-020-00309-7