Amazon Braket 프로그램 세트와 Mitiq로 30큐비트 오류 완화 실험 수행

양자 오류 완화와 프로그램 세트의 결합

현재의 노이즈 양자 컴퓨터에서는 오류 완화(Quantum Error Mitigation, QEM) 기법이 결과 품질을 높이는 핵심 수단으로 활용된다. QEM은 완전한 내결함성 연산과는 다르며, 오류를 근본적으로 제거하지는 않는다. 대신 반복 측정을 통해 신호 대 잡음비를 개선하거나, 노이즈를 의도적으로 증폭해 영점으로 외삽하는 방식으로 결과의 정확도를 높인다.

Amazon Braket의 프로그램 세트는 여러 양자 회로를 단일 태스크로 묶어 제출할 수 있어, 오류 완화에 필요한 다수의 회로 변형을 처리하는 데 구조적으로 적합하다. 태스크 수 자체가 줄어들기 때문에 실행 시간 단축과 비용 절감 효과가 함께 따른다.

세 가지 주요 오류 완화 기법

이번 사례에서는 대표적인 세 가지 기법이 조합 적용됐다.

판독 오류 완화(REM) 는 상태 준비 및 측정 단계에서 발생하는 오류를 혼동 행렬(confusion matrix)의 역행렬을 이용해 교정한다. 전체 특성화는 큐비트 수에 따라 지수적으로 확장되지만, 국소 오류만 고려하거나 측정 채널에 Pauli 트월링을 적용하면 오버헤드를 크게 줄일 수 있다.

영점 외삽법(ZNE) 은 노이즈 파라미터를 조정해 여러 지점에서 기대값을 측정한 뒤, 노이즈가 0인 극한으로 외삽하는 기법이다. 최소제곱법부터 로그 회귀, 다항식 피팅까지 다양한 외삽 함수를 Mitiq에서 선택·비교할 수 있다.

Pauli 트월링(PT) 은 노이즈가 있는 연산자 주변에 특정 게이트를 삽입해 노이즈 채널을 표준 형태로 변환하는 기법이다. 편향된 노이즈 환경에서 충실도를 균질화하는 데 특히 효과적이며, 다수의 트월 변형 회로를 단일 프로그램 세트로 제출할 수 있다.

Rigetti Ankaa-3에서의 30큐비트 실험 결과

실제 하드웨어 검증은 Rigetti의 Ankaa-3 프로세서에서 진행됐다. 30큐비트 선형 얽힘 회로를 대상으로 REM, PT, 지수적 ZNE를 복합 적용한 워크플로를 구성했으며, iSWAP 네이티브 게이트를 사용했다.

회로 레이아웃 선택에는 qiskit-braket-provider를 활용해 iSWAP 게이트 충실도와 판독 오류가 낮은 큐비트를 우선 배치했다. 전체 워크플로는 판독 회로 100개와 회로 변형 320개로 구성됐으며, 4개의 프로그램 세트로 처리됐다. 샷 오버헤드는 총 11배로, ZNE에서 4배, 판독 오류 완화에서 약 2.5배가 발생했다.

최종 결과에서 기대값 오차는 노이즈 결과 대비 12~30배 감소했고, 태스크 관련 비용은 86배 절감됐다. 오차 경계와 표준편차는 예상 정밀도(0.0333) 범위 안에 들어왔다. 전체 워크플로는 소규모 시스템에서 Ankaa-3 에뮬레이터로 사전 검증할 수도 있다.

기술적 의미와 한계

이번 실험은 클라우드 기반 양자 플랫폼에서 오류 완화와 비용 효율화를 동시에 달성할 수 있음을 보여준다는 점에서 의미가 있다. 그러나 QEM은 여전히 오류를 완전히 제거하지 못하며, 샷 수 증가에 따른 이론적 최악의 경우 지수적 오버헤드가 발생할 수 있다. 복합 워크플로일수록 설계 복잡성도 높아진다. 노이즈 특성이 균일하지 않은 실제 하드웨어에서의 적용에는 장치별 세부 조정이 필수적이다.