구글 연구원들은 양자 오류 정정 분야에서 획기적인 진전을 이루었다고 주장하는데, 이는 마침내 기술이 약속한 대로 양자 컴퓨터를 개발하는 길을 열 수 있을 것입니다.
양자 컴퓨터 지지자들은 이 컴퓨터가 입자 물리학부터 약물 및 재료 설계에 이르는 다양한 분야에서 과학적 발견에 도움을 줄 수 있을 것이라고 말합니다. 단, 컴퓨터를 만드는 사람이 하드웨어를 의도한 대로 작동시킬 수만 있다면 말입니다.
한 가지 주요 과제는 양자 컴퓨터가 정보를 잘못 저장하거나 조작하여 유용할 만큼 긴 알고리즘을 실행하지 못하게 할 수 있다는 것입니다. Google Quantum AI와 학술 협력자들의 새로운 연구는 실제로 이러한 오류를 줄이기 위해 구성 요소를 추가할 수 있음을 보여줍니다. 이전에는 엔지니어링의 한계로 인해 양자 컴퓨터에 구성 요소를 더 추가하면 오류가 더 많이 발생하는 경향이 있었습니다. 궁극적으로 이 연구는 오류 수정이 유용한 양자 컴퓨터를 구축하는 데 실행 가능한 전략이라는 생각을 뒷받침합니다. 연구에 참여하지 않은 듀크 대학교의 물리학자 케네스 브라운에 따르면 일부 비평가들은 이것이 효과적인 접근 방식이라고 의심했습니다.
Google 팀의 멤버인 Michael Newman은 X에 “이 오류 수정 기능은 정말 효과가 있으며 앞으로도 계속 개선될 것으로 생각합니다.”라고 적었습니다. 연구 결과를 게시했습니다 (8월에 사전 인쇄 서버 arXiv에 이 기사에 대한 기록에 대해 언급을 거부했습니다.)
양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리에 따라 동작하는 물체를 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 특히, 정보를 다음과 같이 저장할 뿐만 아니라 1s와 0s, 기존 컴퓨터가 하는 것처럼, 그러나 또한 “중첩”에서도 1 그리고 0. 이러한 중첩의 형태로 정보를 저장하고 얽힘(입자가 먼 거리에도 연결되는 방법)과 같은 양자 상호 작용을 사용하여 그 값을 조작하면 완전히 새로운 유형의 알고리즘이 가능해집니다.
그러나 실제로 양자 컴퓨터 개발자들은 구성 요소가 너무 민감하기 때문에 오류가 빠르게 끼어드는 것을 발견했습니다. 양자 컴퓨터는 1, 0또는 구성 요소 중 하나를 특정 물리적 상태에 두어 중첩을 만들고, 실수로 해당 상태를 변경하기가 너무 쉽습니다. 그러면 구성 요소는 표현해야 할 정보와 일치하지 않는 물리적 상태에 있게 됩니다. 이러한 오류는 시간이 지남에 따라 누적되므로 양자 컴퓨터는 오류 수정 없이는 긴 알고리즘에 대한 정확한 답변을 제공할 수 없습니다.
오류 수정을 수행하려면 연구자는 양자 컴퓨터에 독특한 방식으로 정보를 인코딩해야 합니다. 양자 컴퓨터는 물리적 큐비트라고 알려진 개별 구성 요소로 구성되며, 이는 단일 원자나 이온과 같은 다양한 재료로 만들어질 수 있습니다. Google의 경우 각 물리적 큐비트는 매우 낮은 온도에서 유지되어야 하는 작은 초전도 회로로 구성됩니다.
양자 컴퓨터에 대한 초기 실험은 각 정보 단위를 단일 물리적 큐비트에 저장했습니다. 이제 Google 팀을 포함한 연구자들은 각 정보 단위를 여러 물리적 큐비트에 인코딩하는 실험을 시작했습니다. 그들은 이 물리적 큐비트의 별자리를 단일 “논리적” 큐비트라고 부르며, 이는 다음을 나타낼 수 있습니다. 1, 0또는 두 가지의 중첩. 설계상 단일 “논리적” 큐비트는 단일 “물리적” 큐비트보다 정보 단위를 더 견고하게 유지할 수 있습니다. Google 팀은 표면 코드라는 알고리즘을 사용하여 논리적 큐비트의 오류를 수정하는데, 이는 논리적 큐비트의 구성 물리적 큐비트를 활용합니다.
새로운 연구에서 Google은 다양한 수의 물리적 큐비트로 단일 논리적 큐비트를 만들었습니다. 중요한 점은 연구자들이 105개의 물리적 큐비트로 구성된 논리적 큐비트가 72개의 큐비트로 구성된 논리적 큐비트보다 오류를 더 효과적으로 억제한다는 것을 입증했다는 것입니다. 브라운은 이는 증가하는 수의 물리적 큐비트를 논리적 큐비트로 합치면 “실제로 오류를 억제할 수 있다”는 것을 시사한다고 말합니다. 이는 유용한 알고리즘을 수행할 만큼 오류율이 낮은 양자 컴퓨터를 구축하는 잠재적 경로를 제시하지만, 연구자들은 아직 여러 논리적 큐비트를 합치고 더 큰 기계로 확장할 수 있다는 것을 입증하지 못했습니다.
연구자들은 또한 논리적 큐비트의 수명이 가장 좋은 구성 요소인 물리적 큐비트의 수명을 2.4배 초과한다고 보고했습니다. 다시 말해, Google의 연구는 본질적으로 신뢰할 수 있는 양자 “메모리”에 데이터를 저장할 수 있음을 보여줍니다.
하지만 이 시연은 오류 수정 양자 컴퓨터를 향한 첫 걸음일 뿐이라고 IBM의 양자 이니셔티브 부사장인 제이 감베타는 말한다. 그는 구글이 더 강력한 양자 메모리를 시연했지만, 그 메모리에 저장된 정보에 대한 논리적 연산을 수행하지 않았다고 지적한다.
“결국 중요한 것은 얼마나 큰 양자 회로를 실행할 수 있느냐는 것입니다.” 그는 말한다. (“양자 회로”는 양자 컴퓨터에서 실행되는 일련의 연산 논리입니다.) “그리고 점점 더 큰 양자 회로를 실행하는 방법을 보여줄 경로가 있습니까?”
초전도 회로로 만든 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터를 보유한 IBM은 Google의 표면 코드 방식과는 다른 오류 수정 방식을 취하고 있습니다. IBM은 저밀도 패리티 체크 코드로 알려진 이 방식이 확장하기 쉬울 것이라고 생각하며, 각 논리적 큐비트가 비슷한 오류 억제율을 달성하기 위해 필요한 물리적 큐비트가 더 적을 것이라고 생각합니다. IBM은 2026년까지 244개의 물리적 큐비트에서 12개의 논리적 큐비트를 만들 수 있음을 보여줄 계획이라고 Gambetta는 말합니다.
다른 연구자들도 다른 유망한 접근 방식을 탐구하고 있습니다. 초전도 회로 대신 보스턴에 있는 양자 컴퓨팅 회사 QuEra와 제휴한 팀은 중성 원자를 물리적 큐비트로 사용합니다. 올해 초, 그것이 출판되었다 ~에 자연 루비듐 원자로 구성된 최대 48개의 논리적 큐비트를 사용하여 알고리즘을 실행했다는 것을 보여주는 연구.
감베타는 연구자들에게 인내심을 갖고 진전을 과장하지 말라고 경고합니다. 그는 “저는 이 분야에서 오류 수정이 완료되었다고 생각하기를 바라지 않습니다.”라고 말합니다. 하드웨어 개발은 단순히 설계, 구축, 문제 해결 주기가 시간이 많이 걸리기 때문에 시간이 오래 걸립니다. 특히 소프트웨어 개발과 비교할 때 더욱 그렇습니다. 그는 “양자만의 고유한 특성이라고 생각하지 않습니다.”라고 말합니다.
브라운은 보장된 실질적 유용성을 갖춘 알고리즘을 실행하려면 양자 컴퓨터가 약 10억 개의 논리 연산을 수행해야 한다고 말합니다. 그는 “아직 10억 개의 연산에 근접한 사람은 없습니다.”라고 말합니다. 또 다른 이정표는 QuEra가 2026년 목표로 설정한 100개의 논리 큐비트를 가진 양자 컴퓨터를 만드는 것입니다. 그 크기의 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터의 범위를 넘어서는 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. Google 과학자들은 단일 고품질 논리 큐비트를 만들었지만 다음 단계는 실제로 그것으로 무언가를 할 수 있다는 것을 보여주는 것입니다.