비-아벨 애니온 브레이딩·융합으로 범용 양자 게이트셋 첫 실험 검증

범용 양자컴퓨팅의 전제 조건과 매직 상태 증류 문제

양자컴퓨터가 임의의 알고리즘을 수행하려면 '범용 게이트셋'이 갖춰져야 한다. 현재 주류 방식인 양자 오류 정정 코드는 데이터를 다수의 물리적 큐비트에 분산해 오류를 억제하지만, 코드 자체만으로는 범용 연산에 필요한 모든 게이트를 제공하지 못한다. 이 공백은 '매직 상태 증류(magic state distillation)'로 메우는데, 이 과정은 시스템 큐비트 상당량을 소모하는 자원 집약적 작업으로 현실적 부담이 크다.

비-아벨 애니온의 구조와 내성

비-아벨 애니온은 자연에서 독립 입자로 존재하지 않는다. 연구자들은 다수의 큐비트를 양자 회로로 연결해 하나의 거대한 얽힘 상태를 만들어 이 준입자를 생성한다. 두 애니온이 서로를 감아 도는 브레이딩 과정에서 내부 상태가 변하며, 변화 결과는 브레이딩 순서에 의존한다. '비-아벨'이라는 명칭이 바로 이 교환 비가환성을 가리킨다. 정보가 단일 큐비트가 아닌 분산된 얽힘 상태에 저장되므로, 외부 잡음에 대한 내성이 일반 큐비트보다 높다.

D4에서 S3로: 융합이 열어준 돌파구

2024년 Verresen 등은 Quantinuum 트랩이온 장비에서 D4 대칭군(정사각형의 회전·반사 변환) 기반 비-아벨 애니온을 처음 하드웨어 위에 구현했다. 그러나 D4 시스템에서는 브레이딩만으로 범용 연산에 충분한 게이트 집합을 구성하지 못했다. 이번 연구에서 팀은 S3 대칭군(정삼각형의 회전·거울 반사 변환)으로 전환했다. S3는 범용성에 적합한 수학적 구조를 지니지만, 그 잠재력을 끌어내려면 브레이딩에 더해 '융합(fusion)'이 필요했다. 융합은 두 애니온을 합친 뒤 결과를 측정하는 연산으로, 2003년 Caltech의 John Preskill 지도하에 Carlos Mochon이 이론으로 제안한 개념이다.

연구팀은 H2 프로세서에서 54개 큐비트를 얽어 S3 기반 애니온을 구축하고, 애니온 쌍으로 3준위 양자 정보를 담는 '위상 큐트릿(topological qutrit)'을 인코딩했다. 브레이딩에서 얻은 얽힘 게이트 1종과 융합 측정으로 얻은 게이트 2종을 조합해, 이론상 임의의 양자 연산에 도달할 수 있는 세 가지 연산 요소를 시연했다. 또한 위상 연산만으로 매직 상태를 직접 준비할 수 있음도 확인해, 고비용 증류 과정을 우회할 가능성을 제시했다.

현재 성과의 범위와 남은 과제

이번 연구는 원리 증명 단계에 머문다. 오류 발생 시 실시간으로 수정하는 능동 오류 정정은 아직 구현되지 않았으며, 연구팀은 개별 연산 요소의 동작 확인과 매직 상태의 이론값 부합 검증에 집중했다. 비-아벨 방식이 대규모 내결함성 양자컴퓨터의 기반이 되려면 범용 게이트셋과 능동 오류 정정의 통합이라는 다음 단계가 필요하다. Verresen은 비-아벨 양자 메모리 안정화 연구를 UChicago PME 동료들과 진행 중이라고 밝혔다.