Microsoft, 4차원 기하학적 오류정정 코드 계열 공개 — 오류율 1,000배 감소

오류정정 코드 개발 배경

현재 대부분의 양자컴퓨터는 오류 발생 가능성이 높은 물리 큐비트로 구성되어 있어, 독립적으로는 신뢰성 있는 연산 수행에 한계가 있다. 이 문제를 해결하려면 높은 충실도(fidelity)의 물리 큐비트와 함께, 논리 큐비트의 오류율을 물리 큐비트보다 훨씬 낮게 유지하는 오류정정 코드가 모두 필요하다. Microsoft는 이 두 가지 조건을 동시에 충족시키는 방향으로 접근하고 있다.

4D 기하학적 코드의 기술적 특성

새로 공개된 4D 기하학적 코드 계열은 코드를 4차원 공간에서 회전시키는 방식으로 논리 큐비트 1개당 필요한 물리 큐비트 수를 기존 대비 5분의 1 수준으로 줄였다. 또한 단일 측정 주기 특성(single-shot property) 덕분에 오류 진단 단계 수를 최소화해 연산 깊이(depth)를 낮게 유지할 수 있다.

오류율 측면에서는 물리 오류율이 10⁻³(1천 분의 1) 수준일 때 논리 오류율을 10⁻⁶(1백만 분의 1)으로 낮추는, 약 1,000배의 개선을 달성할 수 있다고 밝혔다. 이 코드는 중립원자, 이온트랩, 광자 큐비트처럼 전체 연결성(all-to-all connectivity)을 갖춘 시스템에 모두 적용 가능하며, 임의의 양자 알고리즘 컴파일을 지원하는 완전한 연산 집합을 포함하고 있다.

Atom Computing과의 협력 현황

Microsoft와 Atom Computing은 중립원자 큐비트와 Microsoft 양자 컴퓨팅 플랫폼을 공동 설계하여 통합하고 있다. 이전 발표에서는 Atom Computing의 중립원자를 활용해 신뢰성 있는 논리 큐비트 24개를 생성·얽힘 상태로 구현하고, 연산 중 오류 검출 및 정정과 큐비트 손실 교정까지 시연한 바 있다. 이어 28개 논리 큐비트 구현도 별도로 달성됐다.

Atom Computing은 최근 회로 중간 측정(mid-circuit measurement)과 큐비트 초기화·재사용 기술을 개선했는데, 이는 일부 큐비트를 측정하면서도 측정된 큐비트와 나머지 큐비트 모두를 보존할 수 있는 기법이다. 현재 Atom Computing 중립원자 시스템의 2큐비트 게이트 충실도는 99.6%로, 상용 중립원자 시스템 중 최고 수준이라고 밝혔다.

향후 로드맵과 의미

Microsoft는 이번 4D 코드 통합을 통해 단기적으로 50개 논리 큐비트의 생성 및 얽힘을 목표로 하며, 장기적으로는 수천 개 논리 큐비트 규모로의 확장 가능성을 제시했다. 이 코드 계열은 Microsoft Quantum 플랫폼에서 이미 사용 가능한 여러 코드 중 하나로 편입됐다.

다만, 현재 단계는 신뢰성 있는 양자 연산의 초기 단계로서, 실제 산업 응용이 구체화되려면 알고리즘·아키텍처·응용의 공동 설계(co-design) 접근이 지속되어야 한다는 점은 주목할 부분이다. 물리 오류율이 실험실 수준의 최적 조건에서만 10⁻³를 달성하는지, 상용 환경에서의 안정성은 어떤지에 대한 구체적인 데이터는 본문에서 제시되지 않았다.