양자 결맞음과 디코히런스, 양자컴퓨터의 오류가 발생하는 원리

양자컴퓨터의 성능을 가르는 보이지 않는 조건

양자컴퓨터가 주목받는 이유는 단순히 기존 컴퓨터보다 빠르기 때문이 아닙니다.

기존 컴퓨터가 0 또는 1이라는 비트로 정보를 처리한다면, 양자컴퓨터의 큐비트는 양자역학의 중첩과 얽힘, 간섭을 이용해 정보를 처리합니다.

하지만 여기에는 중요한 조건이 하나 있습니다.

큐비트가 양자적인 성질을 충분한 시간 동안 유지해야 한다는 것입니다.

아무리 많은 큐비트를 만들어도 계산 도중 양자 상태가 무너지면 정확한 결과를 얻을 수 없습니다.

이때 등장하는 개념이 바로 양자 결맞음(Quantum Coherence)과 디코히런스(Decoherence)입니다.

하나는 양자컴퓨터가 계산할 수 있게 만드는 조건이고, 다른 하나는 그 계산을 무너뜨리는 주요 원인입니다.

그렇다면 양자컴퓨터는 왜 그렇게 작은 외부 자극에도 오류를 일으키는 걸까요?

양자 결맞음은 무엇을 유지한다는 뜻일까요?

양자역학에서 큐비트는 단순히 0이나 1 가운데 하나만 가지는 것이 아닙니다.

일반적으로 큐비트의 상태는

α|0〉 + β|1〉

과 같은 중첩 상태로 표현할 수 있습니다.

여기서 중요한 것은 0과 1이 단순히 섞여 있다는 사실만이 아닙니다.

두 상태 사이에는 상대적인 위상 관계가 존재하며, 이 위상 정보를 이용해 양자 간섭을 만들어 계산에 필요한 결과의 확률을 높이거나 낮출 수 있습니다.

이러한 양자적인 위상 관계가 안정적으로 유지되는 상태를 양자 결맞음이라고 합니다.

즉 결맞음은 큐비트가 자신의 양자 정보를 잃지 않고 계산에 참여할 수 있도록 하는 핵심 조건입니다.

양자 알고리즘에서 중첩을 만들고 간섭을 이용한다고 해도 이 결맞음이 너무 빨리 사라지면 원하는 계산을 끝내기 어렵습니다.

[이미지 1 넣기 – 큐비트 중첩 상태 또는 Bloch Sphere와 양자 결맞음 설명 이미지]

얽힘도 단순히 ‘멀리서 즉시 반응하는 현상’은 아닙니다

양자컴퓨터를 설명할 때 자주 등장하는 또 하나의 개념이 양자얽힘(Entanglement)입니다.

두 개 이상의 큐비트가 얽히면 각각을 완전히 독립적인 상태로 설명하기 어려워지고, 전체 시스템을 하나의 공동 양자 상태로 설명해야 합니다.

한 큐비트를 측정했을 때 다른 큐비트의 측정 결과와 강한 상관관계가 나타날 수 있습니다.

하지만 이것을 단순히 “A의 상태가 결정되면 멀리 떨어진 B에 정보가 즉시 전달된다”고 이해해서는 안 됩니다.

양자얽힘만으로 빛보다 빠르게 정보를 전송할 수 있는 것은 아닙니다.

양자컴퓨터에서는 이러한 얽힘과 중첩, 그리고 간섭을 정교하게 제어하면서 연산을 수행합니다.

따라서 이 관계를 끝까지 유지하는 결맞음이 더욱 중요해집니다.

문제는 주변 환경이 큐비트를 가만두지 않는다는 것입니다

출처: NIST / N. Hanacek

 

큐비트는 주변 환경으로부터 완벽하게 고립된 존재가 아닙니다.

열, 전자기적 잡음, 재료 내부의 결함, 제어 신호의 불완전성 등 다양한 요인이 큐비트와 상호작용할 수 있습니다.

이 과정에서 큐비트가 가지고 있던 위상 정보가 주변 환경으로 퍼져나가면서 양자적인 성질을 잃게 됩니다.

이를 디코히런스라고 합니다.

쉽게 말하면 양자컴퓨터가 정밀하게 유지하고 있던 양자 상태가 외부 환경과 섞이면서 점차 고전적인 상태처럼 변해가는 과정입니다.

특히 초전도 큐비트 연구에서는 재료의 결함, 전자기적 잡음, 비평형 준입자와 같은 여러 요소가 결맞음 시간을 제한하는 원인으로 연구되고 있습니다. (Nature)

그리고 이것이 결국 계산 오류로 이어질 수 있습니다.

T1과 T2를 보면 큐비트가 얼마나 버티는지 알 수 있습니다

양자컴퓨터 연구에서는 큐비트의 안정성을 설명할 때 흔히 T1과 T2라는 지표를 사용합니다.

T1은 일반적으로 에너지 이완 시간을 의미합니다.

큐비트가 들뜬 상태에서 에너지를 잃고 낮은 상태로 돌아가는 데 걸리는 특성 시간을 나타냅니다.

T2는 결맞음 시간과 관련됩니다.

큐비트의 중첩 상태에서 중요한 위상 정보가 얼마나 오래 유지되는지를 나타내는 지표입니다.

양자 게이트를 여러 번 수행하려면 큐비트의 결맞음 시간이 충분히 길어야 합니다.

아무리 빠르게 계산한다고 해도 계산이 끝나기 전에 양자 정보가 사라져버리면 의미가 없기 때문입니다.

그래서 양자컴퓨터 개발에서는 단순히 큐비트의 개수를 늘리는 것만큼 큐비트의 품질과 오류율을 낮추는 것이 중요합니다.

왜 양자컴퓨터를 극도로 차갑게 만드는 걸까요?

출처: Google Quantum AI

사진에서 양자컴퓨터를 보면 거대한 금빛 구조와 수많은 케이블이 달린 냉각장치가 자주 등장합니다.

특히 초전도 방식의 양자컴퓨터는 일반적으로 절대영도에 매우 가까운 밀리켈빈 수준까지 냉각해 작동시킵니다.

이렇게 낮은 온도를 사용하는 중요한 이유 가운데 하나는 열에 의한 불필요한 들뜸과 잡음을 줄여 초전도 회로의 양자 상태를 안정적으로 제어하기 위해서입니다.

하지만 모든 양자컴퓨터가 같은 방식으로 냉각되는 것은 아닙니다.

이온트랩, 중성원자, 광자 방식 등 양자컴퓨터의 구현 방식에 따라 필요한 환경과 오류의 원인도 달라집니다.

따라서 “양자컴퓨터는 모두 극저온에서 작동한다”고 말하는 것은 정확하지 않습니다.

[이미지 2 넣기 – 실제 초전도 양자컴퓨터 희석냉동기 또는 초전도 큐비트 장비 사진]

디코히런스만이 양자컴퓨터 오류의 전부는 아닙니다

여기서 한 가지 더 구분해야 합니다.

양자컴퓨터의 오류가 모두 디코히런스 때문에 발생하는 것은 아닙니다.

큐비트를 제어하는 양자 게이트의 부정확성, 측정 오류, 큐비트 사이의 원하지 않는 상호작용, 제어 장치의 잡음 등도 계산 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 실제 양자컴퓨터에서는 여러 종류의 오류를 동시에 관리해야 합니다.

이 때문에 현재 양자컴퓨팅 연구에서 가장 중요한 분야 가운데 하나가 양자 오류 정정(Quantum Error Correction)입니다.

물리 큐비트 여러 개로 하나의 논리 큐비트를 보호합니다

고전 컴퓨터에서는 데이터를 복사해 오류에 대비할 수 있습니다.

하지만 양자정보에는 임의의 미지 양자 상태를 완벽하게 복사할 수 없다는 복제 불가 정리(No-cloning theorem)가 존재합니다.

그래서 양자 오류 정정은 단순히 큐비트를 복사하는 방식으로 이루어지지 않습니다.

대신 하나의 양자정보를 여러 개의 물리 큐비트에 분산해 저장하고, 오류 신드롬을 측정해 어떤 종류의 오류가 발생했는지 추적합니다.

이렇게 여러 물리 큐비트를 이용해 보호되는 정보 단위를 논리 큐비트(Logical Qubit)라고 합니다.

양자 오류 정정은 결맞음 손실과 불완전한 연산에서 발생하는 오류를 억제해 대규모 양자컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 기술로 평가됩니다. (Nature)

큐비트를 늘렸는데 오히려 오류가 줄어드는 단계가 중요합니다

양자컴퓨터에서는 단순히 큐비트 숫자가 많다고 좋은 컴퓨터가 되는 것은 아닙니다.

물리 큐비트를 추가하면서 오류 정정 코드를 확대했을 때 논리 오류율이 실제로 낮아져야 합니다.

이른바 오류정정 임계값 아래에서 동작하는 것이 중요한 이유입니다.

Google Quantum AI는 2024년 Willow 프로세서 연구에서 표면 코드의 크기를 확대하면서 논리 오류가 감소하는 결과를 보고했습니다. 이는 대규모 오류정정 양자컴퓨터로 가는 중요한 실험적 진전으로 평가됩니다. (blog.google)

하지만 이것이 곧 범용 양자컴퓨터가 완성됐다는 뜻은 아닙니다.

유용한 대규모 양자 알고리즘을 안정적으로 수행하려면 앞으로도 훨씬 많은 물리 큐비트와 낮은 오류율, 빠른 오류 해독 기술이 필요합니다.

양자컴퓨터는 왜 아직 우리 책상 위에 없을까요?

양자컴퓨터의 가장 큰 과제 가운데 하나는 결국 양자적인 상태를 충분히 오래, 충분히 정확하게 유지하는 것입니다.

중첩과 얽힘을 만드는 것만으로는 부족합니다.

그 상태를 보존하고, 정밀하게 조작하고, 오류가 발생하면 찾아내 다시 복구해야 합니다.

그래서 오늘날 양자컴퓨터 경쟁은 단순한 ‘큐비트 숫자 경쟁’에서 점점 오류율과 논리 큐비트의 품질 경쟁으로 이동하고 있습니다.

양자 결맞음은 양자컴퓨터가 계산할 수 있게 만드는 조건입니다.

디코히런스는 그 정보를 무너뜨리는 주요 원인입니다.

그리고 양자 오류 정정은 이 둘 사이에서 실제 사용할 수 있는 양자컴퓨터를 만들기 위한 핵심 기술입니다.

결국 양자컴퓨터의 미래를 결정할 질문은 단순합니다.

얼마나 많은 큐비트를 만들 수 있는가가 아니라, 얼마나 오랫동안 정확한 양자정보를 지켜낼 수 있는가입니다.