우리 학교 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 지난달 13일 100큐비트 리드버그 양자 컴퓨터를 이용해 최대독립집합 문제를 계산하고 데이터를 공개했다고 밝혔다. 연구팀은 리드버그 양자 컴퓨터를 이용한 단열 양자 컴퓨팅으로 최대독립집합 문제를 계산하고 계산 결과와 오류 데이터를 공개했다. 한편 이번 연구에는 우리 학교 물리학과 김강흔, 박주영, 변우정 석박사통합과정과 김민혁 박사가 주도적으로 참여했다.

손실 함수를 최소화하는 방식의 단열 양자 컴퓨팅

큐비트(Qubit)란, 양자컴퓨터의 기본 단위로, 양자비트(Quantum bit)라고도 한다. 고전 컴퓨터에서는 0과 1로 이루어진 비트를 이용해 정보를 저장하고 처리한다. 반면, 큐비트는 0과 1의 중첩 상태를 가질 수 있다. 일반적인 양자컴퓨터는 중첩이나 얽힘 등 양자역학적인 현상을 이용해 계산을 진행한다.

단열 양자 컴퓨팅은 일반적인 양자 컴퓨팅과는 달리, 큐비트의 양자 상태를 단열적으로 조정하며 손실함수를 최소화하는 컴퓨팅 방법이다. 이 방식은 레이저를 집속하여 바닥 상태 원자를 포획하는 것으로 시작한다. 이러한 방식을 광집게라고 한다. 이후 손실함수를 최소화하는 방향으로 원자를 제어하는 레이저의 파장과 세기를 조금씩, 즉 단열적으로 조정한다. 이 과정에서 원자들의 양자 상태가 변화하게 된다. 연구팀은 레이저를 이용해 원자의 에너지 준위를 조절하였고, 원자가 광집게에 포획되어 있는 바닥상태를 0, 포획되지 않은 들뜬상태를 1로 하여 컴퓨팅을 진행했다.

데이터 제공을 위한 연구

이 연구에서는 최대독립집합 문제를 양자컴퓨터를 이용해 해결하는 것 뿐만아니라, 문제 해결 과정에서의 데이터를 전부 공개했다. 김 박사과정은 리드버그 양자컴퓨터가 유명해진 지 5년이 지나지 않아서 이를 연구하는 연구단이 적다고 언급했다. 다른 연구단은 특정 문제를 계산했다는 논문만 발표한 반면, 이 연구에서는 처음으로 데이터를 전부 공개했다는 차이점이 있다.

이 연구에서는 최대독립집합 문제를 계산하고 계산 과정과 결과, 그리고 오류의 원인과 크기를 공개하였다. 김 박사과정은 “이 연구가 양자컴퓨터의 오류 보정에 관한 연구를 하는 다른 연구단, 또는 양자컴퓨터에 관심이 있는 학생들이 데이터를 쉽게 얻을 수 있어 향후 연구에 도움이 될 것”이라고 말했다.

안 교수 연구팀의 이전 연구에서는 20큐비트급 리드버그 양자컴퓨터를 활용하여 최대독립집합 문제 풀이를 성공적으로 시연한 바 있다. 이 연구는 가까이 있는 큐비트와 멀리 있는 큐비트를 모두 연결하는 올투올 커넥티비티(All-to-all connectivity)를 구현하였다는 의의가 있다. 그러나, 이번 연구에서는 이전과는 다른 방식으로 양자컴퓨터를 구성하여 문제를 접근하였다. 이번에는 가까이 있는 큐비트만을 서로 연결하는 양자컴퓨터를 구성했다는 차이점이 있다.

향후 양자컴퓨터의 연구 방향

김 박사과정에게 향후 연구실에서 어떤 방향으로 양자컴퓨터 연구를 진행할지에 관해 질문했다. 단기적으로 연구팀은 원자의 움직임으로 인해 생기는 양자역학적 성질을 이용해 동적 양자 게이트를 만들고, 작은 규모의 시연을 진행할 계획이다.

연구팀에서는 기존에 연구되던 양자 게이트를 이용한 양자컴퓨터 외에도, 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터를 하이브리드로 이용하는 방식도 연구하고 있다. 김 박사과정은 “안 교수는 고전 컴퓨터의 논리를 양자컴퓨터에 가져와서 사용하는 것은 비효율적이고, 적합하지 않은 물리계에 고전 컴퓨터의 논리를 억지로 끼워 맞추는 것이라고 생각한다”고 했다. 이에 연구팀에서는 고전 컴퓨터와는 다른 방법으로 양자컴퓨터를 구성하기 위한 연구 또한 진행하고 있다.

마지막으로 김 박사과정은 “끝까지 희망을 품고 포기하지 않으면 언젠가는 희망적인 일이 생길 것”이라고 말했다. 김 박사과정은 양자컴퓨터 연구를 박사과정 2년차에 시작했지만, 첫 논문을 발표하기까지는 3년이 걸렸다. 그러나 그는 “3년 동안 했던 경험 덕분에 이번 연구가 잘 끝날 수 있었다”고 회고했다. 김 박사과정은 “공개된 데이터를 바탕으로 양자컴퓨터에 관심을 가진 독자들이 데이터를 이용할 수 있을 것” 이라며 기대감을 나타냈다.