내결함성 양자 계산

양자 컴퓨팅은 노이즈와 오류에 매우 민감한 특성을 가진다. 내결함성 양자 계산은 이러한 오류에 강하게 설계되어 계산의 신뢰성을 보장하는 기술이다. 이는 저장된 양자 정보, 양자 게이트 연산, 측정 과정에서 발생하는 잡음의 영향을 줄여 더 큰 회로 복잡성을 가진 알고리즘을 수행할 수 있게 한다. 대규모 상용 양자 컴퓨터 실현을 위한 핵심적인 기반 기술로 평가받는다.

양자 오류 정정(QEC)은 결어긋남이나 양자 잡음으로 발생한 오류로부터 원래의 정보를 복원하는 과정이다. 고전 컴퓨터는 정보를 여러 번 복사하는 반복 부호를 사용하지만, 양자 역학의 복제 불가능성 정리로 인해 양자 정보는 단순 복사가 불가능하다. 따라서 하나의 논리적 큐비트 정보를 여러 개의 물리적 큐비트에 분산하여 인코딩하는 방식을 사용한다. 이를 통해 물리적 큐비트 일부에 오류가 발생하더라도 논리적 정보를 올바르게 디코딩할 수 있다.

내결함성 양자 계산을 구현하기 위해 다양한 물리적 플랫폼이 연구되고 있다.

• 이온 트랩: 높은 게이트 충실도와 긴 결맞음 시간이 특징이다.
• 초전도 플랫폼: 빠른 게이트 연산과 확장성이 강점이나, 교차 결합 및 읽기 출력 상관 오류가 변동 요인으로 작용한다.

플랫폼 간 신뢰도를 비교하기 위해 2큐비트 벨 상태 $\lvert\Phi^+\rangle = (\lvert00\rangle + \lvert11\rangle)/\sqrt{2}$를 이용한 벤치마크 등이 활용된다.

현재 양자 컴퓨팅은 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum, 잡음이 있는 중간 규모 양자) 단계에 있다. 이는 수십에서 수백 개의 큐비트를 가진 시스템으로, 완벽한 오류 보정은 어렵지만 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 문제를 해결할 가능성을 탐구하는 시기이다.

주요 기업들의 내결함성 양자 계산 실현 목표는 다음과 같다.