IonQ, 스케줄러 코드·CliNR 결합 qLDPC 오류 정정으로 논리 클리포드 게이트 최대 74배 가속

qLDPC 코드의 잠재력과 지연 문제

양자 오류 정정 분야에서 qLDPC 코드는 2차원 표면 코드 대비 훨씬 적은 물리 큐비트로 다수의 논리 큐비트를 하나의 블록에 묶을 수 있어 하드웨어 효율성이 높다는 장점이 있다. 그러나 밀집된 비국소 레지스터 구조 탓에 오류 정정 과정에서 측정 라운드가 순차적으로 쌓이는 지연 문제가 구조적으로 내재돼 있어, 논리 게이트 실행 속도가 이론 성능을 크게 밑돌았다.

스케줄러 코드와 Shor 방식 고양이 상태의 결합

IonQ의 Mark Webster와 Nicolas Delfosse는 복잡한 그래프 기반 병합 코드 없이 이 병목을 푸는 방식을 제안했다. 핵심 아이디어는 Shor 방식의 고양이(cat) 상태를 보조 프로브로 활용해 L개의 교환 가능한 논리 측정을 동시에 수행하는 것이다. 클래식 선형 스케줄러 행렬 G가 중첩된 논리 연산자의 최적 측정 순서를 결정하고, 모든 결과에 걸쳐 오류 디코딩을 통합 수행한다. 이를 통해 기존에 개별 측정이 순차 축적되던 라운드 지연을 구조적으로 줄인다.

성능 수치와 코드별 비교

Q70 코드(6개 논리 큐비트)에서 무작위 논리 클리포드 회로를 실행하면 22.2개의 고양이 상태로 18.5배, Q102 코드(22개 논리 큐비트)에서는 81.4개의 고양이 상태로 74.4배의 속도 향상이 확인됐다. 논리 Toffoli 게이트의 경우 Q70 코드에서 4.2배, Q102 코드에서 5.0배 빨라졌다. Toffoli 게이트는 양자 화학·소재 과학·금융 모델링 등 내결함성 알고리즘의 핵심 비클리포드 기본 연산으로, 이 수치는 실질적인 워크로드 처리량과 직결된다.

소프트웨어-하드웨어 공동 설계와 Walking Cat 아키텍처

CliNR 기법은 물리 계층에서 횡단 CNOT를 통해 상태 주입을 수행하면서 상태 준비는 논리 계층에서 관리하는 방식으로, 부분 오류 정정 프로토콜이 갖는 시간 오버헤드를 제거한다. 연구팀은 이 접근이 물리 큐비트 수를 늘리지 않고도 달러당 계산 샷 출력을 극대화할 수 있음을 보여준다고 설명한다. 나아가 이 고속 클리포드 프로토콜은 IonQ가 256비트 타원곡선 암호 해독을 목표로 설계한 Walking Cat 아키텍처에도 이미 통합됐다.

의미와 한계

이번 연구는 큐비트 수 증설이 아닌 오류 정정 스케줄링 효율화가 내결함성 양자컴퓨팅의 실용화 속도를 좌우할 수 있음을 수치로 뒷받침한다는 점에서 의미가 있다. 다만 현재 결과는 arXiv 논문 단계로 동료 심사를 거치지 않았으며, 실제 하드웨어 구현 시 고양이 상태 준비 오류나 디코더 처리 시간이 이론 속도 향상을 얼마나 깎아낼지는 추가 검증이 필요하다.