동적 분리(Dynamical Decoupling): 양자 컴퓨터 성능 향상의 돌파구

• 연구자들이 양자 컴퓨팅 성능을 개선하는 이론적 방법 설계
• 동적 분리로 알려진 이 방법, 소규모 양자 컴퓨터 2대에서 작동 검증
• 인코딩 오버헤드 불필요, 양자 게이트를 분리 펄스로 변환해 작동

양자 컴퓨팅 개념은 1980년대 초 도입되었습니다. 이진 비트 대신 양자 비트(중첩 상태일 수 있는 큐비트)를 사용해 계산을 안전하고 극도로 빠른 속도로 수행하는 것이 아이디어입니다.

30년이 지났지만 양자 컴퓨팅 분야는 여전히 초기 단계입니다. 수백 번의 테스트에서 소수 큐비트로 양자 계산이 실행되었습니다.

양자 컴퓨터는 오늘날의 슈퍼컴퓨터보다 수백만 배 더 빠를 것으로 기대되며, 금융, 국방, IT, 의학 산업에 혁명을 일으킬 잠재력이 있습니다. 원자의 행동을 이용해 믿을 수 없을 정도로 복잡한 작업을 극도로 빠른 속도로 수행합니다.

그러나 몇 가지 한계가 있습니다. 오류에 매우 취약하고 작동 유지를 위해 안정성이 필요합니다. 보통 제대로 작동하지 않고 열악한 결과를 냅니다. 전 세계 연구자들은 여전히 기존 컴퓨터를 어떤 작업에서도 능가하는 양자 기계를 달성하지 못했습니다.

현재 양자 컴퓨터의 주요 문제는 '노이즈'입니다. 진동, 온도, 소리로 인한 교란으로 디코히어런스를 생성하며, 양자 상태의 지속 시간을 방해해 큐비트를 불안정하게 만듭니다. 이는 양자 기계가 오류 없이 정확하게 작업을 수행할 수 있는 시간을 감소시킵니다.

디코히어런스가 너무 심한 양자 기계는 쓸모가 없습니다. 이 문제를 해결하면 양자 컴퓨팅이 실용적이고 기존 컴퓨터보다 더 생산적이 되는 지점에 도달할 수 있습니다.

최근 서던캘리포니아 대학(USC) 연구자들이 양자 컴퓨팅 성능을 개선하는 이론적 방법을 공개했습니다. 현재 양자 컴퓨터의 약점을 해결해 잘못된 계산을 최소화하면서 결과의 충실도를 높입니다. 이 방법은 동적 분리(DD)로 알려졌으며 2대의 양자 컴퓨터에서 작동했습니다.

DD는 시간 의존 섭동 이론에서 주어진 차수까지 시스템과 환경 간 상호작용을 상쇄하는 펄스를 시스템에 적용하여 디코히어런스를 억제하도록 개발되었습니다. 전반적으로 인코딩 오버헤드가 필요하지 않으며 양자 게이트를 분리 펄스로 변환해 작동합니다.

참조: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

이 테스트의 시간 시퀀스는 매우 짧았습니다: 0.6마이크로초 내에 200펄스가 기록되었습니다.

오늘날 양자 기계에 동적 분리 적용

연구자들은 IBM의 16큐비트 QX5와 리게티(Rigetti)의 19큐비트 Acorn, 2대의 양자 컴퓨터에서 DD를 테스트했고, 다른 방법보다 더 쉽고 신뢰할 수 있음을 발견했습니다. 기존 소규모 클라우드 기반 양자 컴퓨터에 구현하기에 적합합니다.

8큐비트 양자 프로세서 | 이미지 출처: Rigetti Computing

이 방법은 얽힌 두 큐비트 상태를 어느 정도 보호할 수 있습니다. 다양한 동적 분리 시퀀스는 디페이징과 자발적 방출 오류를 모두 완화할 수 있습니다. 이전 연구들과 달리 양자 오류 정정 코드를 사용하지 않고 자연적 디코히어런스에 대한 충실도에서 예외적 개선을 달성했습니다.

IBM QX5의 최종 충실도는 28.9%에서 88.4%로 뛰어올랐고, 리게티 Acorn은 59.8%에서 77.1%로 개선되었습니다. 연구자들은 더 많은 펄스가 리게티 양자 컴퓨터에서 충실도 개선을 더 오래 지속시키는 반면, IBM 컴퓨터에서는 약 100펄스 한계가 있음을 발견했습니다.

참고: 양자 컴퓨터에 대한 18가지 가장 흥미로운 사실

전반적으로 이 연구는 동적 분리 메커니즘이 기존 양자 오류 정정 기법보다 훨씬 더 잘 작동함을 보여줍니다.