양자 컴퓨터 오류 실시간 분석 기술 개발

‘사이클 오류 재구성’으로 결함 내성 양자 컴퓨팅 진전

양자 컴퓨팅 상용화를 가속할 새로운 오류 분석 기술이 등장했다. 오스트리아 인스부르크 대학 연구팀이 국제 공동 연구를 통해 양자 연산 과정에서 발생하는 개별 큐비트 오류를 실시간으로 분석할 수 있는 기술을 개발하면서, 차세대 양자 컴퓨터의 핵심 과제인 결함 허용(Fault-tolerant) 구조 구현에 중요한 전기가 마련됐다.

인스부르크 대학(University of Innsbruck)은 시드니 대학과 워털루 대학 연구진과 협력해 논리적 큐비트에서 발생하는 오류를 시각화하고 분석하는 새로운 진단 방식을 발표했다.

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 큐비트(Qubit)를 이용해 정보를 처리한다. 그러나 양자 상태는 외부 환경의 미세한 영향에도 쉽게 변형되기 때문에 오류가 발생하기 쉽다. 이를 해결하기 위해 여러 개의 물리적 큐비트를 묶어 하나의 정보를 보호하는 ‘논리적 큐비트(Logical Qubit)’ 구조가 사용된다. 하지만 물리적 큐비트 수가 늘어날수록 내부 오류를 분석하는 과정이 매우 복잡해지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘사이클 오류 재구성(Cycle Error Reconstruction)’이라는 새로운 분석 모델을 제안했다. 이 기술은 양자 연산 사이클마다 발생하는 오류를 추적해 어떤 물리적 오류가 실제 계산 성능에 영향을 미치는지 정밀하게 식별할 수 있다. 또한 발생한 오류 가운데 양자 오류 수정 코드로 복구 가능한 오류와 치명적인 결함을 구분할 수 있어 시스템 안정성 평가에도 활용될 수 있다. 특히 레지스터 규모가 커져도 분석에 필요한 자원을 효율적으로 관리할 수 있어 확장성 측면에서도 장점이 있다.

연구팀은 이 기술을 인스부르크 대학이 보유한 16큐비트 이온 트랩(Ion Trap) 양자 프로세서에서 실험적으로 검증했다. 실험에서는 두 개의 논리적 큐비트 사이에서 수행되는 횡단 CNOT 게이트(Transversal CNOT gate) 연산을 대상으로 오류 분석이 진행됐다. 그 결과 기존의 표준 벤치마킹 방식으로는 발견하기 어려웠던 문맥 의존적 오류(Context-dependent errors)가 확인됐다. 이는 특정 연산 환경에서만 발생하는 탈동조화(dephasing)나 게이트 미세 조정 오류 등으로, 실제 양자 컴퓨터 성능 저하의 주요 원인으로 지목된다.

연구를 이끈 토마스 문츠(Thomas Monz) 인스부르크 대학 연구 그룹 리더는 “이 방법은 하드웨어 팀이 보정과 안정화가 필요한 지점을 정확히 파악하도록 도와준다”며 “논리 게이트를 안정적으로 운영하기 위한 일종의 나침반 역할을 한다”고 설명했다.

이번 연구는 단순히 오류를 탐지하는 기술을 넘어 차세대 양자 하드웨어 설계 방향을 제시한다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 통계 모델을 활용해 오류 간 상관관계를 분석함으로써 어떤 물리적 설계를 개선해야 논리적 큐비트의 신뢰도를 높일 수 있는지 파악할 수 있다고 밝혔다.

전문가들은 이러한 진단 기술이 발전하면 오류 수정이 안정적으로 작동하는 실용적인 양자 컴퓨터 개발이 한층 빨라질 것으로 전망한다. 이는 미래의 암호 해독, 신약 개발, 복잡한 물질 시뮬레이션 등 다양한 분야에서 양자 컴퓨팅 활용 가능성을 크게 확장할 것으로 기대된다.

이번 연구는 국제 학술지 Physical Review X에 게재됐다.

*Nicholas Fazio et al, Characterizing Physical and Logical Errors in a Transversal CNOT Gate via Cycle Error Reconstruction, Physical Review X (2026). DOI: 10.1103/qfwc-584t