[위즈뉴스] 양자컴퓨터 기술은 양자중첩이나 양자얽힘 등 양자현상을 이용해 기존의 디지털 컴퓨터로 해결하기 어려운 문제를 단시간에 풀 수 있는 '꿈의 컴퓨터'로 불리며 세계 기술 패권 경쟁의 중심에 있다.
최근에는 기존 디지털 컴퓨터로는 실현할 수 없는 계산 성능, 이른바 ‘양자우위(Qauntum supremacy)’가 발표되면서 구글이나 IBM 등 해외기업을 중심으로 양자컴퓨터를 실용적인 분야에 적용하고자 하는 연구가 주목받고 있다.
이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 17일, 양자정보연구단 김용수 박사 연구팀이 단일광자의 양자상태를 이용하여 분자의 구조를 계산하는 데 성공했다고 밝혔다.
아직 불완전한 양자컴퓨터의 성능을 보완하기 위해 디지털 컴퓨터의 이점을 함께 사용하는 VQE(Variational Quantum Eigensolver) 알고리즘을 이용하여 분자의 바닥상태 에너지(ground state, 양자역학적인 계에서 가장 낮은 에너지를 가진 상태로, 가장 안정적인 상태임)를 계산하는 데 성공한 것이다. VQE는 대표적인 양자-고전 하이브리드 알고리즘으로 머신러닝이나 계산화학 등에 실용적인 문제에 적용할 수 있다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 국제 학술지 'Optica'(IF=11.104) 최신호에 게재됐다.
논문명은 'Error-mitigated photonic variational quantum eigensolver using a single-photon ququart'이며, KIST 김용수 박사가 교신저자로, 이동화 박사과정생과 이진일 통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.
연구팀의 이동화 박사과정생은 “이번 연구는 양자컴퓨터의 소프트웨어와 하드웨어, 응용기술을 포함한 모든 기술을 순수 국내기술로 구현했다는데 의의가 있다”며 "실용화된다면 신소재나 신약 개발 등 고전 컴퓨터로 계산하기 어려운 복잡한 분자 시스템의 특성을 계산하는데 적용할 수 있다"고 말했다.
이어 "아직 많은 기술적 어려움이 있지만, 특히 중요한 것은 양자연산 공간이 더욱 커져야 하며, 큐비트의 오류가 더욱 낮아져야 한다는 점"이라며 "이러한 연구는 전세계적으로도 활발히 진행되고 있다"고 말했다.
VQE의 성능은 양자컴퓨터의 양자연산 공간의 크기에 의해 제한되기 때문에 효율적으로 양자연산 공간의 크기를 확장하기 위한 연구가 필요하다. 연구팀은 단일광자가 가지고 있는 다양한 자유도를 동시에 사용하여 양자연산 공간을 확장함으로써 양자컴퓨터의 연산공간 크기를 수월하게 확장하는 새로운 방법을 제시했다.
단일광자(single photon)는 고전적 전자파에 대비되는 양자화된 전자파인 빛의 단일 입자로 양자컴퓨터 분야에서 가장 기본이 되는 큐비트(qubit)로 활용되고 있다.
다른 물리계와 비교할 때 가장 큰 차이점 가운데 하나는 단일광자는 다양한 자유도(편광, 광경로, 시간, 주파수, 각운동량 등)를 가지고 있으며, 이를 양자정보를 인코딩하는 큐비트로 사용할 수 있다는 점이다.
이번 연구에서는 단일광자의 광경로와 편광을 이용해 2 큐비트의 양자연산 공간을 구현하고, 이를 분자의 바닥상태 에너지를 계산하는 VQE 실험에 적용했다.
[그림] 고전-양자 하이브리드 컴퓨팅을 이용해 분자의 구조 계산을 형상화한 개념도
또한 불완전한 양자컴퓨터가 가지는 양자오류를 효율적으로 보정하기 위한 양자오류 보정 알고리즘을 개발, 적용해 노이즈가 많은 상황에서도 분자의 바닥상태 에너지를 성공적으로 계산할 수 있음을 확인했다.
연구팀의 김용수 박사는 “광자기반 양자컴퓨터로 계산한 분자는 기존 디지털 컴퓨터로도 충분히 풀 수 있는 수준이지만, 단일광자의 다양한 자유도를 이용해 양자컴퓨터의 연산공간 크기를 효율적으로 확장하는 새로운 방법을 제시한 만큼 향후 실용적인 양자컴퓨터 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업, 정보통신기획평가원 양자암호통신집적화 및 전송기술고도화 사업으로 수행됐다.
