D-Wave, 이중레일 게이트 신뢰도 99.9% 첫 시연

양자컴퓨팅 기업 D-Wave Quantum(나스닥: QBTS)이 결함허용 게이트모델 양자컴퓨터로 가는 길에서 핵심 걸림돌 하나를 넘었다고 밝혔다. 회사는 8월 5일(현지시각) 국제학술지 네이처(Nature)에 논문을 게재하며 이중레일(dual-rail) 오류소거 큐비트 구조를 위한 2-큐비트 게이트를 처음으로 시연했다고 발표했다. 이번 게이트는 두 큐비트를 얽히게(entangle) 하는 동안에도 약 99.9%의 신뢰도(fidelity)를 유지했고, 동작 속도는 약 500나노초에 불과했다. 회사는 이 구조를 활용하면 오류 정정 단계를 한 번 늘릴 때마다 논리적 오류율을 최대 10배까지 줄일 수 있다는 시뮬레이션 결과도 함께 공개했다. D-Wave는 이번 결과가 상용 결함허용 양자컴퓨터로 가는 로드맵이 현실적이라는 근거라고 강조했다.

이중레일 큐비트, 왜 오류 정정에 유리한가

이중레일 큐비트는 서로 연결된 두 개의 공진기(resonator)로 이뤄진다. 편의상 왼쪽과 오른쪽으로 부를 수 있는데 하나의 광자(포톤)를 이 시스템에 넣으면 항상 왼쪽 또는 오른쪽 중 한 곳에서 검출된다. 동시에 그 광자를 왼쪽과 오른쪽에 겹쳐진 상태(중첩)로 놓는 것도 가능하다. 이 두 가지 성질만으로 하나의 큐비트를 구성할 수 있다는 게 아르스 테크니카(Ars Technica)의 설명이다.

이 구조의 장점은 가장 흔한 오류가 광자가 하드웨어 밖으로 빠져나가는 것이라는 데 있다. 이런 손실은 정보 자체를 지워버리기 때문에 이중레일 큐비트는 흔히 “오류소거 큐비트(erasure qubit)”라고 불린다. 두 번째로 흔한 오류는 위상이 뒤집히는 것이고 비트가 뒤집히는 오류는 훨씬 드물게 나타난다. 광자 손실은 오류 정정 코드를 돌리기 위한 별도 큐비트 없이도 하드웨어 차원에서 쉽게 검출할 수 있다는 것이 이 방식의 핵심 강점이다.

신뢰도 99.9%, 500나노초…이번 연구가 입증한 것

D-Wave가 이번에 네이처에 게재한 논문 제목은 “이중레일 오류소거 큐비트를 위한 얽힘 게이트(An entangling gate for dual-rail erasure qubits)”다. 논문은 양자 계산의 기본 단위인 2-큐비트 얽힘 게이트를 새롭게 제시하면서 두 큐비트를 얽히게 하는 동안에도 오류가 특정 유형에 몰리고 그 유형은 쉽게 잡아낼 수 있다는 “유리한 오류 계층 구조”가 그대로 유지된다는 점을 보였다.

앨런 바라츠(Alan Baratz) D-Wave 최고경영자는 “게이트모델 양자컴퓨팅에서 남은 가장 큰 과제는 단순히 더 많은 큐비트를 만드는 것이 아니라 규모가 커져도 효율적으로 오류를 정정할 수 있는 시스템을 만드는 것”이라고 말했다. 그는 “초전도 양자컴퓨터는 속도가 빠른 것으로 알려져 있지만 확장 가능한 결함허용 시스템에 필요한 높은 신뢰도를 달성하는 일은 계속 과제로 남아 있었다”며 “이번 연구는 우리의 이중레일 구조가 빠른 초전도 연산과 높은 신뢰도, 하드웨어 차원의 네이티브 오류 검출을 동시에 갖췄다는 것을 보여준다”고 설명했다. 로버트 숄코프(Robert Schoelkopf) D-Wave 최고과학책임자도 “이번 연구로 시연한 얽힘 게이트는 이미 우리 게이트모델 시스템에 통합돼 비슷한 성능을 내고 있다”고 밝혔다.

애닐링에서 게이트모델까지…D-Wave의 확장 전략

D-Wave는 지난 세기에 설립된 양자컴퓨팅 업계의 이색적인 기업이다. IBM이나 구글과 달리 처음부터 범용 양자컴퓨터를 만든 게 아니라 특정 최적화 문제를 푸는 데 특화된 양자 애닐러(quantum annealer)를 개발해 판매해 온 회사다. 그런데 몇 년 전부터 회사는 게이트 기반 하드웨어 개발에도 뛰어들었고 플루소니움(fluxonium)이라는 다소 독특한 큐비트 기술을 선택했다.

올해 D-Wave는 예일대학교에서 스핀아웃한 스타트업 퀀텀 서킷(Quantum Circuits)을 인수했다. 이 회사가 개발해 온 것이 바로 이번 논문의 핵심인 이중레일 큐비트 기술이다. 같은 방식은 아마존(Amazon)도 채택하고 있는 기술이라고 아르스 테크니카는 전했다. 이번 연구는 D-Wave가 애닐링과 게이트모델 시스템을 함께 제공하는 유일한 듀얼플랫폼 양자컴퓨팅 기업이라고 스스로 소개하는 전략의 연장선에 있다.

2032년 100개 논리큐비트…남은 과제는

D-Wave는 이번 연구가 회사가 최근 공개한 게이트모델 개발 로드맵을 뒷받침한다고 밝혔다. 이 로드맵은 2032년까지 논리큐비트 100개로 100만 회 이상의 연산을 성공적으로 수행할 수 있는 시스템을 완성하는 것을 목표로 한다. 로드맵은 이중레일 구조와 통합된 극저온 제어 기술을 결합해 시스템 규모가 커져도 오류를 더 효율적으로 검출하도록 설계됐다.

회사가 목표로 내세운 지표는 ‘람다(Lambda)’라는 오류 감소율로 값은 10이다. 람다는 오류 정정 능력을 한 단계씩 추가할 때마다 양자컴퓨터의 오류가 얼마나 빠르게 줄어드는지를 나타내는 척도다. 람다가 10이라는 것은 오류 정정 단계를 한 번 늘릴 때마다 시스템 신뢰도가 10배씩 높아진다는 의미로 훨씬 적은 물리적 큐비트로도 결함허용 양자컴퓨팅에 필요한 낮은 논리적 오류율을 달성할 수 있다는 뜻이다.

트레버 랜팅(Trevor Lanting) D-Wave 최고개발책임자는 “결함허용 양자컴퓨터를 만드는 일은 어렵고 복잡한 과학적·공학적 과제들을 하나씩 체계적으로 풀어가는 과정”이라며 “이번 연구는 우리 이중레일 구조가 갖춘 기초 역량 중 하나를 보여준 것이며 결함허용 게이트모델 양자컴퓨팅에 한 걸음 더 가까워진 성과”라고 말했다. 다만 논리큐비트 100개로 100만 회 연산을 수행하겠다는 목표는 2032년으로 예정된 만큼 실제 상용화까지는 여전히 여러 해가 남아 있다.