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- 양자 컴퓨터 부상, IBM, Google과 같은 회사는 가장 강력한 양자 컴퓨터 경쟁 중
- IBM의 아키텍처는 시스템이 더 많은 큐비트로 확장되는 경우 붕괴에 더 취약
- 현재의 양자 컴퓨터는 아직 많은 응용 분야에 적합하지 않아

양자 컴퓨터: IBM, Google 등의 시스템은 얼마나 안정적일까
일부 시스템의 큐빗 아키텍처는 양자 붕괴에 가깝다.

임박한 양자 혼돈:
연구원들이 IBM, Google 등의 양자 컴퓨터가 필요한 결합과 원치 않는 공진 사이의 취약한 균형을 얼마나 잘 마스터하는지 조사했다. 양자 비트의 균형이 무너지면 통제할 수 없는 양자 혼돈이 발생해 컴퓨팅 능력이 붕괴될 위험이 있기 때문이다. 그 결과 IBM의 아키텍처는 특히 시스템이 향후 더 많은 큐비트로 확장되는 경우 이러한 붕괴에 더 취약할 수 있다. 

▲ 양자 컴퓨터는 질서와 무질서 사이의 섬세한 균형을 유지해야 한다. 연구원들은 현재 시스템이 얼마나 잘 작동하는지 조사했다. © PhonlamaiPhoto/ iStock.com

양자 컴퓨터가 부상하고 있으며 IBM, Google 등과 같은 회사는 오랫동안 가장 강력한 양자 컴퓨터를 놓고 경쟁해 왔다. 지금까지 117 큐비트 또는 64 큐비트로 구성된 그들의 시스템은 초전도 물질의 전하 섬 사이의 양자 물리적 상호 작용을 기반으로 한다. 이러한 소위 트랜스몬 큐비트가 산술 연산을 수행할 수 있으려면 중첩 상태에서 방해받지 않고 가능한 잘 차폐되어야 한다. 다른 한편으로 큐비트는 회로를 형성하기 위해 함께 결합되어야 한다.

깨지기 쉬운 균형

여기에는 문제가 있다. 현재의 양자 컴퓨터는 질서와 무질서 사이의 깨지기 쉬운 균형에서 작동한다. 결합된 양자 비트는 한 그룹의 사람들이 계단을 따라 건너는 다리와 유사하다. 그 변동이 제어할 수 없는 큰 진동으로 쉽게 축적돼 치명적인 결과를 초래할 수 있는 결합된 진자의 시스템과 유사하다.

제 1 저자인 쾰른 대학의 크리스토프 버크(Christoph Berke)는 "Transmon 칩은 큐비트 간 임의의 결함을 허용할 뿐만 아니라 실제로 요구한다. 현재 양자 컴퓨터 시스템은 이를 위해 다른 방법을 사용한다. IBM은 유사한 이웃 간의 원치 않는 결합을 방지하기 위해 격자에서 큐비트를 교체한다. 반면 TU Delft(델프트 공대)와 Google의 양자 컴퓨터는 적극적으로 도입된 국부 섭동을 사용하여 원치 않는 공진을 차단한다.

▲ IBM의 브루클린 양자 컴퓨터는 동일한 주파수의 큐비트가 서로 바로 옆에 있지 않도록 구조화되어 있다. © Berke et al./ Nature Communications, CC-by 4.0

통제할 수 없는 혼돈에 위험할 정도로 가까이

Berke와 그의 동료들은 이러한 다양한 방법이 얼마나 잘 작동하는지 세 가지 다른 기술을 사용하여 조사했다. Berke는 "우리 연구에서 우리는 '우연한 안정성'의 원칙이 실제로 얼마나 신뢰할 수 있는지 조사하고 있다. 테스트 결과 예상치 못한 결과가 나왔다. 붕괴 이전에도 원치 않는 공명이 이미 양자 상태에 영향을 미치고 있지만 "하드 양자 혼돈"의 문턱을 아직 넘지 않은 놀랍도록 광범위한 회색 영역이 있다.

반면에 팀에 따르면 일부 상용 시스템 아키텍처는 위험할 정도로 불안정에 가깝다. Berke의 동료 Simon Trebst는 "Google 칩을 IBM 칩과 비교할 때 후자의 경우 제어된 컴퓨팅 작업이 손상될 수 있는 정도로 큐비트 상태가 결합될 수 있음을 발견했다. 이 컴퓨터 아키텍처의 시스템은 통제할 수 없는 혼란스러운 변동의 단계에 가깝다.

더 많은 큐비트로 확장하는 데 문제가 있다.

이러한 발견은 양자 컴퓨터를 더 많은 큐비트를 가진 시스템으로 확장하는 데 특히 중요하다. 현재의 양자 컴퓨터는 아직 많은 응용 분야에 적합하지 않기 때문이다. 이미 취약한 IBM 컴퓨터의 균형을 무너뜨릴 수 있는 것은 바로 이 확장이다.

"우리는 이 시스템이 더 복잡한 응용 프로그램에 필요한 더 크고 2차원적으로 연결된 어레이 기하학에 일반화를 지원할 수 없을 것이라고 추측한다"고 연구원들은 기술했다.

수석 저자인 RWTH Aachen University의 David DiVincenzo는 다음과 같이 덧붙였다. "우리의 연구는 하드웨어 설계자가 장치 모델링을 최첨단 양자 랜덤 방법론과 결합하고 초전도 플랫폼상에서 큐비트 프로세서를 집적하기 위한 '혼돈 진단(Chaos-Diagnose)'을 설계의 일상적인 일부로 만드는 것이 얼마나 중요한지 보여준다.  
(Nature Communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-29940-y)
출처: 쾰른 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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