큐비트는 왜 그렇게 쉽게 망가지나, 양자 오류 정정

큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 단위로, 0과 1이 겹친 중첩 상태로 정보를 담는다. 문제는 이 중첩 상태가 극도로 예민하다는 점이다. 주변의 아주 작은 열, 전자기 잡음, 진동만으로도 상태가 흐트러져 계산이 틀어진다. 그래서 오늘날의 큐비트는 계산 도중 오류를 자주 일으킨다. 이를 극복하려고 여러 개의 불완전한 큐비트를 묶어 하나의 믿을 만한 큐비트처럼 쓰는 양자 오류 정정이 연구되고 있다. 실용적인 양자 컴퓨터로 가는 길은 사실상 이 오류와의 싸움이다.

큐비트는 왜 그렇게 예민한가

일반 컴퓨터의 비트는 전압이 높거나 낮은 두 상태 가운데 하나다. 약간의 잡음이 끼어도 높고 낮음의 차이가 커서 쉽게 구별된다. 큐비트는 다르다. 0과 1이 특정한 비율과 위상으로 겹친 상태를 유지해야 하는데, 이 비율과 위상은 연속적인 값이라 아주 작은 흔들림에도 조금씩 어긋난다.

더 근본적인 문제는 큐비트가 주변 환경과 상호작용하면 중첩 상태의 정보가 환경으로 새어 나간다는 것이다. 이를 결어긋남이라 부른다. 큐비트가 중첩을 유지하는 시간은 대개 아주 짧아서, 그 안에 계산을 끝내야 한다. 그래서 초전도 큐비트를 쓰는 양자 컴퓨터는 절대영도에 가까운 극저온으로 냉각한 장치 안에서, 외부 잡음을 철저히 막은 채 작동한다.

일반 컴퓨터처럼 복사해서 비교하면 안 되나

일반 컴퓨터는 오류를 막을 때 같은 정보를 여러 벌 복사해 두고 다수결로 판단하는 방법을 쓸 수 있다. 그런데 양자역학에는 임의의 양자 상태를 똑같이 복사할 수 없다는 복제 불가 정리가 있다. 게다가 큐비트의 상태를 확인하려고 측정하는 순간 중첩이 깨져 버린다. 오류를 찾으려고 들여다보면 정보가 사라지는 셈이다.

그래서 양자 오류 정정은 교묘한 방법을 쓴다. 정보를 여러 큐비트에 얽힘으로 나눠 담고, 데이터 자체가 아니라 큐비트들 사이의 관계만 측정한다. 예를 들어 '이 두 큐비트가 서로 같은가 다른가'만 확인하면, 각 큐비트의 값은 모른 채로 어디에 오류가 생겼는지 알아낼 수 있다. 그 정보를 바탕으로 오류를 되돌린다.

구분	물리 큐비트	논리 큐비트
무엇인가	실제 하드웨어의 큐비트 하나	여러 물리 큐비트를 묶어 만든 큐비트
오류	자주 발생	오류 정정으로 크게 줄어듦
필요한 수	하나	수십에서 수천 개의 물리 큐비트

오류 정정은 왜 그렇게 많은 큐비트가 드나

믿을 만한 논리 큐비트 하나를 만들려면 수십에서 수천 개의 물리 큐비트가 필요하다고 추정된다. 그런데 큐비트를 더 많이 묶을수록 오류를 일으킬 큐비트도 늘어난다. 그래서 오류 정정이 실제로 이익이 되려면 물리 큐비트 하나하나의 오류율이 일정한 문턱보다 낮아야 한다. 문턱보다 낮으면 큐비트를 더 묶을수록 논리 큐비트가 점점 좋아지고, 문턱보다 높으면 묶을수록 오히려 나빠진다.

최근 몇몇 연구 그룹은 큐비트를 더 많이 묶을수록 논리 큐비트의 오류가 줄어드는 결과, 곧 이 문턱을 넘어섰다는 결과를 발표했다. 실용적인 양자 컴퓨터로 가는 중요한 이정표로 평가받는다.

큐비트를 만드는 방식은 하나뿐인가

큐비트를 만드는 방법은 여러 가지가 경쟁하고 있다. 초전도 회로, 전기장에 가둔 이온, 빛 알갱이, 반도체 속 전자, 중성 원자 등이 있다. 방식마다 장단점이 다르다. 초전도 큐비트는 빠르게 계산하지만 극저온이 필요하고, 이온 큐비트는 상태를 오래 유지하지만 계산 속도가 느리다. 어떤 방식이 최종적으로 실용화에 이를지는 아직 정해지지 않았다.

남은 과제

유용한 계산을 하려면 수백에서 수천 개의 논리 큐비트가 필요하고, 그러려면 물리 큐비트가 수십만에서 수백만 개 필요할 수 있다. 지금의 기계는 그보다 훨씬 작다. 큐비트를 그만큼 늘리면서 오류율을 낮게 유지하고, 그 모두를 극저온 장치 안에서 배선하고 제어하는 일은 엄청난 공학적 도전이다. 양자 컴퓨터가 언제 실용적인 문제를 기존 컴퓨터보다 빠르게 풀게 될지는 아직 분명하지 않다.