차세대 범용 양자컴퓨터 위한 새로운 패리티 양자 아키텍처

양자 기계의 컴퓨팅 성능 향상은 주요 과제다. 오스트리아 인스브루크 대학의 물리학자들은 곧 차세대 양자 컴퓨터의 기초가 될 수 있는 범용 양자 컴퓨터를 위한 새로운 아키텍처를 제시했다.

양자 컴퓨터에서 양자 비트(큐비트)는 컴퓨팅 장치와 메모리 역할을 동시에 수행한다. 양자 정보는 복사할 수 없기 때문에 기존 컴퓨터처럼 메모리에 저장할 수 없다. 이러한 제한으로 인해 양자 컴퓨터의 모든 큐비트는 서로 상호 작용할 수 있어야 한다.

이것은 현재 강력한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 주요 과제다. 2015년에 이론 물리학자 Wolfgang Lechner는 Philipp Hauke ​​및 Peter Zoller와 함께 이 어려움을 해결하고 저자의 이름을 따서 LHZ 아키텍처로 명명된 양자 컴퓨터를 위한 새로운 아키텍처를 제안했다.

오스트리아 인스부르크 대학 이론 물리학과 Wolfgang Lechner는 “이 아키텍처는 원래 최적화 문제를 위해 설계됐다. 이 과정에서 우리는 이러한 최적화 문제를 가능한 한 효율적으로 해결하기 위해 아키텍처를 최소한으로 줄였다”고 말했다.

이 아키텍처의 물리적 큐비트는 개별 비트를 나타내지 않지만 비트 간의 상대적 조정을 인코딩한다. “이는 모든 큐비트가 더 이상 서로 상호 작용할 필요가 없다는 것을 의미한다”고 Wolfgang Lechner는 설명한다. 연구팀 이 패리티(parity) 개념이 범용 양자 컴퓨터에도 적합하다는 것을 보였다.

패리티 컴퓨터는 단일 큐비트에서 두 개 이상의 큐비트 간에 작업을 수행할 수 있다. Wolfgang Lechner 팀의 Michael Fellner는 “기존 양자 컴퓨터는 이미 이러한 작업을 소규모로 잘 구현하고 있다. 그러나 큐비트의 수가 증가함에 따라 이러한 게이트 작업을 구현하는 것이 점점 더 복잡해진다”고 설명했다.

Physical Review Letters와 Physical Review A에 실린 두 논문에서 인스부르크 과학자들은 이제 패리티 컴퓨터가 훨씬 적은 계산 단계로 훨씬 더 빠른 속도로 많은 양자 알고리즘의 기본 빌딩 블록인 양자 푸리에 변환을 수행할 수 있음을 제시했다.

Fellner는 “우리 아키텍처의 높은 병렬성은 예를 들어 인수 분해를 위한 잘 알려진 Shor 알고리즘이 매우 효율적으로 실행될 수 있음을 의미한다”고 설명했다.

새로운 개념은 또한 하드웨어 효율적인 오류 수정을 제공한다. 양자 시스템은 교란에 매우 민감하기 때문에 양자 컴퓨터는 오류를 지속적으로 수정해야 한다. 양자 정보를 보호하는 데 상당한 자원이 투입되어야 하며, 이는 필요한 큐비트 수를 크게 증가시킨다. 인스브루크 연구팀의 일원인 Anette Messinger와 Kilian Ender는 “우리 모델은 2단계 오류 수정으로 작동하며 한 가지 유형의 오류(비트 플립 오류 또는 위상 오류)는 사용된 하드웨어에 의해 방지된다. 다양한 플랫폼에서 이에 대한 초기 실험적 접근 방식이 이미 있다. 다른 유형의 오류는 소프트웨어를 통해 감지하고 수정할 수 있다”고 말했다.

차세대 범용 양자 컴퓨터 실현을 위해 Wolfgang Lechner와 Magdalena Hauser가 공동 설립한 분사 회사인 ParityQC는 이미 인스부르크에서 과학 및 산업 분야의 파트너와 함께 새 모델의 가능한 구현에 대해 작업하고 있다.