단일광자 양자상태를 이용, 분자 구조를 계산하는데 성공

양자 컴퓨터는 양자 중첩의 지수적인 정보 표현, 양자 얽힘을 이용한 병렬 연산과 같은 양자역학적인 물리현상을 활용하여 계산을 수행하는 기계이다. 양자 전산기라고도 한다.

이러한 컴퓨터는 트랜지스터 및 커패시터 기반의 2진법 디지털 전자 컴퓨터와 완전히 다른 원리로 작동한다. 고전적인 (전통적인) 컴퓨터에서 자료의 양은 비트로 측정되며 데이터가 항상 2 개의 명확한 상태 (0 또는 1) 중 하나에 있는 2진 숫자 (비트)로 인코딩 되어야 하지만 양자 계산은 상태의 중첩으로 있을 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 사용한다.

 

양자 정보 통신은 정보 사회의 패러다임을 바꿀 신기술로 여겨진다. 양자 정보 통신을 활용한 양자 컴퓨터는 한 개의 처리 장치에서 여러 계산을 동시에 처리할 수 있어 특정한 문제를 처리하는 데 있어 정보 처리량과 속도가 지금까지의 컴퓨터에 비해 지수적으로 뛰어나다.

 

하지만 양자 컴퓨팅은 근본적으로 양자정보 처리, 저장 중 발생하는 노이즈, 결맞음 잃어버림과 같은 양자 에러 (quantum error)에 대해 매우 취약하고 병렬 연산을 위한 얽힘을 생성하고 제어하는 것이 실질적으로 매우 어렵다. 따라서 2018년 현재 실제 양자 컴퓨터의 개발은 아직 초기 단계이며 소규모의 양자 비트를 제어하고 간단한 양자 알고리듬을 실행하는 실험이 보인 바 있는 수준이다.

 

더 나아가, 실용적인 응용을 위해 이론적인 연구가 계속되고 있으며, 많은 국가 정부와 군사 기관이 암호 해독과 같은 민간, 비즈니스, 무역, 환경 및 국가 보안 목적을 위한 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 양자 컴퓨팅 연구에 자금을 지원하고 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 김용수 양자정보 연구단 박사 팀이 단일광자 양자상태를 이용, 분자 구조를 계산하는 데 성공했다고 밝혔다. 아직 불완전한 양자컴퓨터의 성능을 보완하기 위해 디지털 컴퓨터의 이점을 함께 사용하는 VQE (Variational Quantum Eigensolver) 알고리즘을 이용해 분자 바닥상태(에너지가 가장 낮지만 안정적인 상태) 에너지를 계산하는데 성공했다.

VQE의 성능은 양자연산 공간 크기에 제한돼 효율적으로 양자연산 공간 크기를 확장하기 위한 연구가 필요하다. 연구팀은 양자연산 공간을 확장해 양자컴퓨터 연산공간 크기를 수월하게 확장하는 새로운 방법을 제시했다.

단일광자의 광경로와 편광을 이용해 2 큐비트 양자연산 공간을 구현하고, 이를 분자 바닥상태 에너지를 계산하는 VQE 실험에 적용했다. 또 불완전한 양자컴퓨터가 가지는 양자오류를 효율적으로 보정하기 위한 양자오류 보정 알고리즘을 개발하고 적용해 노이즈가 많은 상황에서도 분자 바닥상태 에너지를 성공적으로 계산할 수 있음을 확인했다.

이번 연구에 주저자로 참여한 이동화, 이진일 학생 연구원은 “이번 연구는 양자컴퓨터의 소프트웨어(SW)와 하드웨어(HW), 응용기술을 포함한 모든 기술을 순수 국내 기술로 구현했다는 데 의의가 있다”라고 의의를 평가했다.