한국과학기술연구원 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀의 큐디트 기반 양자 컴퓨터 알고리즘 모식도(한국과학기술연구원 제공)

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(서울=뉴스1) 윤주영 기자 = 국내 연구진이 별도의 양자 오류 완화 기술 없이도 정확한 계산을 수행하는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현했다. 연구진은 성능 확인을 위해 화학물 분자의 결합 거리 등을 계산한 결과 높은 화학적 정확도를 확인했다고 설명했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 5일 원내 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀의 연구 결과를 5일 공개했다.

양자 컴퓨터는 시스템 크기와 연산규모가 커질수록 오류가 누적된다는 단점이 있다. 이는 0, 1 또는 '0과 1의 중첩'을 표현하는 연산 최소 단위 '큐비트' 사이에 논리 회로 '양자게이트'가 구성돼야 하기 때문이다.

다만 양자게이트가 많이 구성될수록 외부 영향에 더 취약해지고 오류 발생 가능성이 커진다.

이를 극복하고자 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합한 변분 양자 고윳값 계산기(VQE) 방식이 등장했다. 이는 양자 컴퓨팅 프로세서(QPU)와 고전 컴퓨팅 프로세서(CPU)를 함께 사용해 더 빠른 계산을 수행하도록 고안된 하이브리드 알고리즘이다.

IBM, 구글 등의 글로벌 연구팀들은 초전도, 이온 트랩 등 다양한 양자 시스템에서 이를 연구하고 있다.

큐비트 기반의 VQE는 현재 광자 시스템에서 최대 2큐비트, 초전도 시스템에서는 12큐비트까지 구현된 상태다. 더 많은 큐비트와 복잡한 연산이 필요한 경우 오류 문제가 발생해 확장이 어렵다는 한계가 있었다.

이에 KIST 연구진은 큐비트 대신 큐디트(Qudit)라는 고차원의 양자 정보를 활용하는 방식을 도입했다. 큐디트는 0, 1, 2 등 여러 상태를 가질 수 있는 양자 단위로 복잡한 양자 계산에 유리하다. 연구팀은 광자의 궤도각 운동량 상태를 이용해 큐디트를 구현했다.

복잡한 양자게이트를 구성할 필요가 없어 연산 자원과 오류를 줄일 수 있었다. 동시에 높은 차원의 계산도 가능해졌다.

연구팀은 VQE 방식으로 4차원에 해당하는 수소 분자와 16차원에 해당하는 리튬 하이드라이드(LiH) 분자의 결합 거리를 추정하는 양자화학 계산을 수행했다.

이는 광자 기반 VQE를 통해 16차원 계산을 구현한 첫 사례다. IBM, 구글 등의 기존 VQE는 화학적 정확도를 위해 오류 완화 기술이 필요했지만 KIST 연구팀의 VQE는 이런 조치 없이도 계산 정확도를 확보했다.

임향택 KIST 박사는 "적은 자원으로도 화학적 정확도에 도달 가능한 큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술을 확보했다"며 "신약 개발과 배터리 성능 개선 등 다양한 실용 분야에 활용되기를 기대한다"고 말했다. 이번 연구는 지난달 23일 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 게재됐다.

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