양자역학에서의 중첩을 사용하여 계산하는 양자컴퓨터는 기존의 고전적인 컴퓨터에서는 불가능한 수준의 속도로 계산할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 그런데 Google의 양자컴퓨터 연구팀 Quantum AI의 과학자들은 우주에서 날아오는 고에너지의 방사선인 우주선이 양자컴퓨터의 동작에 중대한 에러를 일으킨다는 연구결과를 보고했습니다.
Resolving catastrophic error bursts from cosmic rays in large arrays of superconducting qubits | Nature Physics
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01432-8
A potential hangup for quantum computing: Cosmic rays | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/12/cosmic-rays-can-swamp-error-correction-on-quantum-processors/
A potential hangup for quantum computing: Cosmic rays
For quantum chips, the problems they cause are too big for error correction.
arstechnica.com
전통적인 컴퓨터는 '0' 또는 '1'이라는 상태만을 취할 수 있는 비트를 사용하고 있습니다만, 양자컴퓨터는 양자의 중첩으로 '0'과 '1' 양쪽의 상태를 취할 수 있는 양자비트를 사용하는 방식으로 초고속 계산이 가능합니다. 그런데 양자비트는 다양한 환경 요인으로 인해 의도한 상태에서 벗어나 버리기 때문에 양자컴퓨터에는 오류가 발생하기 쉽다는 문제가 있습니다.
이 문제를 해결하는 방법은 기존 컴퓨터에서 오류감지 정정을 양자컴퓨터에서 수행하는 양자 오류수정입니다. 양자컴퓨터에 의한 계산결과가 올바른 것임을 보증하기 위해서 양자비트의 에러를 정정하는 것은 중요하다는 것.
그런데 Google의 연구팀은 양자프로세서에서 양자 오류정정 테스트를 했을 때 산발적으로 오류정정이 실패해 버리는 이상한 현상에 직면했습니다. 이 원인에 대해 조사한 결과, 양자비트에 발생하는 에러가 '우주선'에 의해 일어나고 있다는 것을 밝혀냈다고 합니다.
고에너지의 방사선인 우주선은 전하의 이동이나 보존에 의존하는 고전적인 컴퓨터에도 에러를 일으키는 것으로 알려져 있지만, 양자컴퓨터와는 영향을 미치는 메카니즘이 다릅니다. 우주선이 양자비트에 충돌하면 진동에너지가 포논이라는 준입자로 작용하는데 이 포논이 양자비트의 상태를 혼란시켜 에러가 발생한다는 것.
실제로 연구팀은 프로세서에서 양자비트를 26개 선택하여 단일 양자상태로 설정하고 프로세서를 공회전 상태로 방치함으로써 양자비트에 우주선 유래 오류가 발생하는지 관찰했습니다. 그 결과 100마이크로초간 양자비트의 전형적인 에러율은 26개 중 4개였지만 우연히 우주선이 맞으면 에러율은 26개 중 24개로 뛰어올랐습니다. 또 프로세서 전체에서의 양자비트의 상태를 추적했는데, 처음에는 우주선이 충돌한 장소에 가까운 양자비트에 한정되어 있던 에러가 포논이 프로세서 전체에 퍼지면서 충돌부위로부터 멀리 떨어진 양자비트에서도 에러율이 상승했다고 합니다.
양자 오류정정은 인접한 양자비트 그룹을 단일 논리단위로 설정하여 개별 양자비트에서 발생하는 오류를 감지합니다. 그러나 우주선 충돌로 인한 포논은 준입자로 행동하기 때문에 인접한 모든 양자비트의 상태를 동시에 혼란시켜 버려 양자 오류정정이 방해되어 버린다고 연구팀은 말합니다.
또 우주선에 의한 충돌이 드물게 발생한다면 에러를 포함한 계산결과를 파기하고 다시 계산하면 일단 올바른 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 실험에 사용된 비교적 작은 양자프로세서에서도 10초마다 오류를 경험했기 때문에 몇 시간이 걸릴 수 있는 계산을 양자컴퓨터에서 수행하려면 너무 우주선 충돌빈도가 높습니다.
불행하게도 현시점에 양자컴퓨터에 대한 우주선의 영향을 줄이는 방법은 개발되지 않았는데, 연구팀은 천문학자들이 이미지 하드웨어 설계에서 유사한 문제에 직면하고 있어 포논의 확산을 억제하기 위해 하드웨어를 개선하기 위해 노력하고 있으므로 유사한 솔루션이 양자컴퓨터로 전환될 수 있다고 기대를 나타냈습니다.
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