부분 오류 정정으로 얽힘 양자센서의 노이즈 내성 확보

얽힘 센서의 딜레마

양자 중첩 상태에 있는 큐비트는 외부 환경의 미세한 변화—예컨대 약한 자기장—에 민감하게 반응하기 때문에 고정밀 측정에 유리하다. 여기에 얽힘을 추가하면 감도가 크게 높아진다. 단일 큐비트 대비 비얽힘 상태 100개를 사용하면 감도가 10배 향상되지만, 같은 수를 얽힘 상태로 구성하면 100배까지 향상되는 것으로 알려져 있다. 그러나 얽힘 상태는 진동·온도 변화·자기장 간섭 등 환경 노이즈에 취약해, 오류가 발생하면 얽힘 고유의 감도 이점이 사라지는 문제가 있었다.

완전 정정 대신 근사 정정

NIST와 메릴랜드 대학교 공동 양자정보·컴퓨터과학 센터(QuICS) 소속 연구팀은 이 문제를 기존 양자 오류 정정 코드의 재해석을 통해 해결했다. 통상적인 양자 오류 정정은 발생한 오류를 완전히 제거하는 것을 목표로 한다. 반면 이번 연구는 센싱 목적에서는 오류를 근사적으로만 정정해도 충분하다는 점에 착안했다. 사전에 큐비트 집합을 특정 방식으로 설계·준비하면, 일부 큐비트에 오류가 발생하더라도 전체 센서가 비얽힘 큐비트 집합보다 높은 감도를 유지할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 이 과정에서 감도 일부를 희생하지만, 그럼에도 비얽힘 센서를 능가하는 수준을 확보한다는 것이 핵심이다.

수학적 엄밀성과 실험적 검증 과제

연구팀은 이번 성과가 기존 실험에서 관찰된 현상들을 수학적으로 엄밀하게 정초했다는 점에 의미를 부여한다. 논문은 'Covariant Quantum Error-Correcting Codes with Metrological Entanglement Advantage'라는 제목으로 게재됐으며, 공변 양자 오류 정정 코드 중 얽힘 센서를 보호하는 특정 계열이 존재한다는 것을 규명했다. 다만 이론 결과가 실제 센서 하드웨어에 구현되기까지는 추가 시간이 필요하며, 연구팀은 실험적 검증을 외부 그룹에 공개적으로 요청했다.

응용 범위와 의미

이 접근법은 의료 영상(뇌 자기장 측정), 지질 탐사, GPS·항법 등 정밀 측정이 요구되는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 양자 오류 정정 기술이 양자 컴퓨팅뿐 아니라 양자 센싱 분야에서도 핵심 도구로 활용될 수 있음을 보여주는 사례로, 향후 실험 그룹들의 검증 결과에 따라 실용화 경로가 구체화될 전망이다.