시드니대·IBM, 양자 오류정정 병목 '중간 측정 잡음' 정량화

양자 오류정정과 측정 딜레마

양자컴퓨터는 외부 환경의 미세한 교란에도 정보를 잃는 큐비트의 취약성 탓에 계산 도중 오류를 반복적으로 탐지·수정하는 체계가 필수적이다. 이 과정에서 일부 물리 큐비트는 정보 처리 큐비트의 상태를 확인하는 탐지 전용으로 쓰이는데, 역설적으로 이 탐지 행위 자체가 새로운 오류를 만들어낼 수 있다.

연구팀이 집중한 현상은 '중간 회로 측정(mid-circuit measurement)'이다. 연산 진행 중 특정 큐비트를 중간 단계에서 측정해 고전 상태로 붕괴시키면서도 나머지 큐비트의 코히런스를 유지하는 방식인데, 이 측정이 완료될 때까지 다른 모든 큐비트는 대기(idling) 상태에 놓인다. 연산 단계마다 이 대기 구간이 반복되면서 잡음이 누적되는 것이 성능 저하의 주된 경로로 지목됐다.

실험 설계와 성능 개선 결과

연구팀은 156큐비트 Heron r2 프로세서의 헤비-헥스(heavy-hex) 레이아웃 위에서 거리 d=3 메모리 실험 패치와 안정성 실험 패치를 구성했다. 오류정정 회로를 재설계해 아이들링 시간을 단축한 결과, 논리 큐비트의 오류정정 주기당 생존율이 90% 미만에서 96% 이상으로 상승했다. 연구팀은 측정 잡음이 현재 디바이스에서 논리 양자 게이트 신뢰도를 제한하는 지배적 요인 중 하나임을 추가로 확인했다.

정량적 벤치마크의 의의

이번 연구의 핵심 기여는 '어느 수준의 성능이 필요한가'를 구체적 수치로 제시한 데 있다. 각 오류정정 단계의 충실도(fidelity) 임계값을 벤치마크로 명확히 함으로써 확장 가능한 시스템 설계에 직접 활용할 수 있는 공학적 목표를 제공했다. 시드니 나노 연구소의 Stephen Bartlett 교수가 프로젝트를 이끌었고, 수석 저자는 같은 연구소 소속 Robin Harper 박사다. IBM 측에서는 양자과학자 Ben Brown 박사가 공동 수석 저자로 참여해 중간 회로 측정 벤치마크 설계를 담당했다. UCL 박사과정생 Constance Lainé는 인재 교류 파견 연구원으로 공동 저자에 이름을 올렸다. 이 성과는 2024년 공표된 시드니대-IBM 양자 오류정정 연구 협력과 시드니대-UCL 차세대 양자기술 교류 프로그램의 직접적 산물이다.

한계와 향후 과제

현재 결과는 헤비-헥스 레이아웃이라는 단일 아키텍처와 특정 오류정정 코드 환경에서 도출됐다. 다른 큐비트 플랫폼이나 더 큰 코드 거리에서 동일한 개선이 재현될지는 추가 검증이 필요하다. 아이들링 잡음은 전체 오류 예산의 일부일 뿐이며, 게이트 오류·크로스토크 등 복합적인 오류 채널이 실제 계산 환경에서 함께 작용한다. 논리 큐비트 생존율 96% 이상은 진전이지만, 실용적 양자 이점 달성을 위해서는 더 높은 충실도와 대규모 연산으로의 확장이 여전히 남겨진 과제다.