英 ICL 연구진, 광자 양자컴퓨터 새 아키텍처 공개

선형·비선형 양자 연산을 하나의 플랫폼에 통합

빛을 이용해 양자정보를 처리하는 광자 양자컴퓨터가 기존의 구조적 한계를 넘어설 새로운 길을 제시했다. 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 물리학과 연구진과 공동 연구팀이 광자의 약한 상호작용이라는 핵심 난제를 해결하기 위해 ‘클라비나(Clavina)’라는 새로운 광자 양자컴퓨팅 아키텍처​를 개발했다.

연구 결과는 국제학술지 Nature Photonics에 게재됐다. 이번 연구의 핵심은 하나의 하드웨어 안에서 선형(linear) 연산과 비선형(nonlinear) 양자 연산을 결합하고, 계산 목적에 따라 기능 모듈을 교체할 수 있도록 설계했다는 점​이다.

이는 특정 계산 작업에 맞춰 광학 하드웨어를 별도로 구축해야 했던 기존 광자 양자컴퓨터의 한계를 넘어, 하나의 플랫폼을 다양한 양자 계산에 활용할 수 있는 확장형·모듈형 광자 양자컴퓨터의 가능성을 보여준다.

광자 양자컴퓨터 가장 큰 난제, ‘상호작용’

광자는 양자정보를 전달하는 데 매우 뛰어난 입자다. 빛은 빠르게 이동하고 주변 환경과의 상호작용이 상대적으로 적어 양자정보를 장거리로 전달하는 데 유리하다. 그러나 이러한 장점은 동시에 광자 양자컴퓨터의 약점이기도 하다.

광자끼리는 자연적으로 강하게 상호작용하지 않는다. 양자컴퓨터가 복잡한 계산을 수행하려면 양자정보 사이에 정교한 상호작용과 연산이 필요하지만, 광자 시스템에서는 이를 구현하기가 쉽지 않다.

기존 광자 양자컴퓨팅 기술은 주로 빛을 분배하고 간섭시키는 선형 광학(linear optics)​에 의존했다. 이 방식은 높은 수준의 제어가 가능하지만, 모든 종류의 양자 연산을 구현하기에는 한계가 있다.

특히 광자 사이의 상호작용을 만들어내는 비선형 연산은 기술적으로 훨씬 까다롭다. Clavina는 바로 이 지점을 겨냥했다.

‘양자 프로세서’처럼 재구성되는 광학 플랫폼

연구팀은 Clavina를 기존의 특정 목적용 광학 장치와 달리 모듈형 양자 프로세서로 설계했다.중앙 제어 시스템이 정보를 프로그래밍 가능한 광학 네트워크로 전달하고, 필요한 경우 특정 기능을 수행하는 비선형 모듈을 연결하는 구조다.

이는 현대 컴퓨터 프로세서가 하나의 시스템 안에서 CPU, GPU, AI 가속기 등 서로 다른 기능을 수행하는 것과 유사한 개념이다. 핵심은 계산 작업이 바뀌어도 전체 하드웨어를 새로 설계할 필요가 없다는 것이다.

연구팀에 따르면 Clavina는 다양한 기능 모듈을 조합해 그래프 문제를 해결하거나 양자계의 물리적 특성을 시뮬레이션하고, 대규모 얽힘 상태 및 오류정정에 필요한 양자 상태를 생성할 수 있다.

연구를 이끈 임페리얼 칼리지 런던의 Shang Yu 박사는 Clavina를 확장성과 모듈성, 기능 확장성을 갖춘 광자 양자 프로세서로 설명했다. 계산 목적에 따라 서로 다른 기능 모듈을 사용할 수 있도록 설계한 것이 기존 구조와 가장 큰 차이점이다.

Bose-Hubbard 모델로 ‘다체 양자 상호작용’ 구현

연구팀은 Clavina의 실제 활용 가능성을 확인하기 위해 두 가지 대표적인 양자정보 처리 작업을 수행했다.

첫 번째는 Bose-Hubbard 모델의 시뮬레이션이다.

Bose-Hubbard 모델은 응집물질물리학에서 양자 입자들이 서로 상호작용하는 현상을 설명하는 대표적인 모델이다. 특히 많은 입자가 동시에 상호작용하는 다체 양자계(many-body quantum system)​를 연구하는 데 활용된다.

Clavina는 선형 연산과 비선형 연산을 결합함으로써 이러한 복잡한 양자 상호작용을 모사하는 데 활용됐다. Queen Mary University of London의 Jinzhao Sun 박사는 이번 연구의 핵심적인 장점으로 하드웨어 자체에서 선형 및 비선형 연산을 통합할 수 있다는 점을 강조했다.

이는 단순히 빛을 전달하고 조작하는 수준을 넘어 광자 기반 시스템에서 복잡한 양자 상호작용을 직접 다룰 수 있는 가능성을 보여준다.

양자 오류정정 핵심 ‘GKP 상태’도 생성

두 번째 실험은 미래의 오류보정 양자컴퓨터와 직접 연결된다.

양자컴퓨터는 외부 환경과의 미세한 상호작용 때문에 양자상태가 쉽게 무너지는 문제를 안고 있다. 따라서 대규모 범용 양자컴퓨터를 구현하려면 계산 과정에서 발생하는 오류를 탐지하고 수정할 수 있는 양자 오류정정(quantum error correction) 기술이 필수적이다.

연구팀은 Clavina를 이용해 Gottesman-Kitaev-Preskill(GKP) 상태​를 보다 안정적으로 생성하는 데 성공했다.

GKP 상태는 보손형 양자 오류정정(bosonic quantum error correction)에 활용되는 중요한 자원이다. 양자정보를 특정한 방식으로 부호화해 잡음과 오류의 영향을 줄이는 것이 핵심이다.

기존 광자 기반 방식에서는 이러한 상태를 확률적으로 생성하는 경우가 많아 실제 양자컴퓨터에 적용하기 위한 안정성과 효율성이 문제로 지적돼 왔다.

Clavina의 비선형 연산을 활용하면 GKP 상태를 보다 일관되게 생성할 수 있어 오류정정 가능한 광자 양자컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 구성요소를 확보할 가능성이 커진다.

‘슈뢰딩거의 고양이’부터 범용 양자연산까지

Clavina의 또 다른 특징은 다양한 비고전적 양자상태를 생성할 수 있다는 점이다.

연구팀은 슈뢰딩거 고양이 상태(Schrödinger cat state)​와 GKP 상태 등 미래의 내결함성(fault-tolerant) 양자컴퓨팅에 활용될 수 있는 특수한 양자상태를 생성하는 데 이 구조가 활용될 수 있다고 설명했다.

Imperial의 Raj Patel 박사는 비선형 연산이 물리적 수준에서 범용 게이트 집합을 구현할 수 있도록 하며, 이는 향후 보손형 오류정정 코드를 구현하는 데 중요한 요소라고 설명했다.

결국 Clavina가 겨냥하는 것은 단순한 광자 양자컴퓨터의 성능 향상이 아니다. 양자상태를 생성하고, 연산하고, 오류를 관리하는 데 필요한 여러 기능을 하나의 확장 가능한 플랫폼에 통합하는 것​이다.

광자 양자컴퓨터, ‘특정 작업용 장치’에서 범용 플랫폼으로

광자 양자컴퓨터는 높은 전송 속도와 낮은 환경 상호작용이라는 장점 때문에 차세대 양자컴퓨팅 후보 가운데 하나로 꼽힌다. 하지만 지금까지는 특정 계산 목적에 맞춰 광학 하드웨어를 설계해야 하는 경우가 많았다.

Clavina의 의미는 이 구조를 바꾸는 데 있다.

하나의 하드웨어를 기반으로 새로운 기능 모듈을 추가하고, 계산 목적에 따라 시스템을 재구성할 수 있다면 양자컴퓨터 개발 방식 자체가 달라질 수 있다.

이는 향후 그래프 계산, 양자 시뮬레이션, 대규모 얽힘 생성, 양자 오류정정 등 서로 다른 작업을 하나의 광자 프로세서에서 수행할 가능성을 열어준다.

특히 양자컴퓨터가 수십·수백·수천 개의 논리적 큐비트로 확장되기 위해서는 단순히 큐비트 수를 늘리는 것뿐 아니라 오류정정과 제어 시스템을 함께 확장해야 한다.

Clavina가 제시한 모듈형 접근법은 이 과정에서 중요한 설계 원칙이 될 수 있다.

이번 연구는 광자를 단순한 양자정보 전달 매체에서 복잡한 연산과 오류정정을 수행하는 범용 양자 프로세서의 핵심 요소로 발전시키려는 연구가 한 단계 진전됐음을 보여준다.

다만 이번 결과가 곧바로 대규모 범용 광자 양자컴퓨터의 완성을 의미하는 것은 아니다. 실제 상용 시스템으로 발전하기 위해서는 광원, 광학소자, 비선형 모듈, 손실률, 제어 정밀도 및 오류정정 성능을 대규모 환경에서도 안정적으로 유지할 수 있는지가 추가로 검증돼야 한다.

그럼에도 Clavina는 선형 광학의 확장성과 비선형 양자연산의 기능성을 하나의 모듈형 플랫폼으로 결합했다는 점에서 광자 양자컴퓨팅의 새로운 아키텍처 방향을 제시했다는 의미가 있다.

빛으로 정보를 운반하는 것을 넘어, 빛으로 계산하고 오류까지 제어하는 양자컴퓨터를 구현하기 위한 경쟁이 본격화되고 있다.