일본 쿄토대학 정보학연구과 오오제키 마사유키(大??之) 교수의 연구그룹은, 캐나다, 스위스, 미국, 스페인과의 국제적 공동연구을 수행하고, 양자 컴퓨터의 실현에 있어서 반드시 필요한 오류 개정기술 분야에서 지금까지 인식되어 온 성능의 이론적인 한계를 크게 뛰어넘는 부호 형식을 새로 개발했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 미국 과학지 [Physical Review X]에 게재되었으며, 이와 관련된 현실적인 응용에 대한 성과는 [Physical Review A: Rapid Communications]의 속보판으로 게재되었다.

양자컴퓨터 기술은 복수의 입력정보에 병렬적으로 동시처리를 수행함으로써 지금까지에 비해 훨씬 높은 계산 성능을 달성할 수 있을 것으로 기대가 되는 기술이다. 이 양자컴퓨터의 경우, 중첩 원리라고 불리는 다수의 상태를 동시에 포함하는 것이 가능한 양자상태 [큐비트]를 이용한다. 이 때문에, 양자컴퓨터에서 나타나는 오류의 종류는 종래의 디지털 정보와 같이 서로 다른 상태를 나타내는 0과 1 사이의 반전오류뿐만 아니라, 다수의 상태의 혼재 비율을 나타내는 연속적인 수치 상의 위상오류의 두 가지 종류가 있다, 이처럼 두 가지 종류의 오류가 존재한다는 사실이 양자컴퓨터에서 오류개정을 어렵게 하는 최대의 원인으로 지적되고 있으며, 이를 해결하는 것이 매우 중요한 기술이 되고 있다.

종래의 방식에서는 반전오류와 위상오류의 두 가지 종류를 개별적으로 취급하며, 개정을 수행하는 토러스 부호라고 불리는 방법이 고안되어 왔다. 이 경우, 1 큐비트 당 이론한계로서 알려진 11% 정도의 오류율까지 허용된다. 한편, 빛의 편광 상태를 변화시킴으로써 특징적인 두 종류의 오류를 섞어 하나로 만드는 편극해소(depolarization)라는 기술이 있다. 이번 연구에서는 이 편극해소 기술을 조합함으로써 2종류의 오류를 혼합하여 동시에 취급한다는 발상의 전환에 의한 새로운 오류개정 기술을 제안하였다. 이 기술을 이용한 이론한계는 지금까지의 이론한계이던 11%를 크게 상회하는 18% 정도라는 것을 세계 최초로 밝혔다. 즉 편극해소된 토러스 부호에서는 종래에 비해 오류에 대한 내성이 비약적으로 향상된다는 것을 확인한 것이다. 이 연구에서 오오제키 교수의 연구그룹은 편극해소 토러스 부호의 이론 및 해석 부분을 담당하였다. 최신 해석 결과에 따르면, 보다 현실적으로 생각할 수 있는 설계 실수 등에 의해 발생하는 큐비트의 결손에 대해서도, 종래의 방법보다 오류에 대한 내성이 좋아진다는 것을 확인하였다.

이 결과는 양자정보이론과는 별다른 연관성이 없는 것처럼 보이는 통계역학의 방법을 이용하여 도출된 것이다. 통계역학은 원자, 분자가 모여있는 물질의 성질을 조사하는 학문 영역이다. 토러스 부호 형식에서 다수의 큐비트로 구성되는 배열 집합체를 하나의 물질로 간주하여 통계역학의 이론에 의해 해석하였다. 구체적으로는, 강자성체와의 유사성을 이용하고 있다. 강자성체 안에서는 스핀이라고 불리는 미세한 자석이 서로 정렬하는 방식에 의해 강한 자성을 발휘한다. 이 스핀 사이에 결함이 생기면 자성이 약해진다. 이 결함이 큐비트에 생기는 오류라고 생각하는 방법에 의해, 강자성체에서의 자성에 대응하는 오류에 대한 내성의 해석이 가능해졌다. 순수학문적인 이학분야의 연구가 공학적인 응용측면이 가한 양자정보 분야에 공헌한 예라고 할 수 있다.

오류에 대한 내성이 20% 정도 대폭적으로 향상됨에 따라 양자컴퓨터 소자의 설계 기준에도 여유가 생긴 셈이다. 또한 보다 현실적인 설계 실수 등에 의한 큐비트의 결손에 대해서도 종래의 방법에 비해서는 크게 내성이 좋아졌다는 것을 확인하였다. 이러한 기술은 양자컴퓨터의 실현을 위한 의미 있는 진전이라고 생각할 수 있다. 앞으로는 실장 실험과 함께 보다 현실적인 상황에 대한 오류 개성기술과의 연계를 통해 더욱 효과적인 오류 개정기술의 개발이 가능할 것으로 보인다.

(그림1) 토러스 부호의 모식도이다. 빨간 격자점과 파란 격자점이 각 변에서 특정 큐비트의 상태를 검사한다. 검사 결과는 독립적으로 취급되어 반전 및 위상오류의 수정에 사용된다.
(그림2) 편극해소 토러스 부호의 모식도이다. 빨강, 파랑 격자점의 겸사결과 (오렌지, 하늘색 화살표)를 연동시켜, 반전 및 위상오류의 수정을 협동적으로 수행한다. (노란색 별마크). 수정의 복잡도는 변하지 않으며, 오류에 대한 내성이 증가한다는 놀랄만한 성능을 확인하였다.