캣 큐비트 5개만으로 오류율 1.75→1.65%
아마존 방식에 구글·IBM 오류 정정 결합
양자 컴퓨터가 빅테크 기업들의 경연장이 됐다. 구글과 마이크로소프트(MS)에 이어 아마존이 양자 컴퓨터 연구 성과를 국제 학술지에 발표했다.
아마존 웹 서비스(AWS) 연구진은 기존 방식보다 훨씬 효율적인 양자 오류 수정 방법을 개발했다고 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 27일 발표했다.
기존 컴퓨터는 전자가 없거나 있는 것을 0과 1 비트(bit) 단위로 표현하지만, 양자 컴퓨터는 0과 1이 중첩될 수 있는 큐비트(qubit)를 쓴다. 큐비트가 늘면 계산능력이 획기적으로 늘어난다. 하지만 치명적 단점이 있다. 큐비트가 아주 작은 소음이나 미세한 진동에도 깨지기 쉬워 오류에 매우 취약하다. 이 점에서 양자 오류 정정이 필수적이다.
기존의 오류 정정 방식은 큐비트 수십 개를 추가로 사용한다. 정보를 큐비트 한 개에만 저장하면 오류가 발생할 때 복구하기 힘들어 정보를 큐비트 여러 개에 나눠 저장하기 때문이다. 이는 계산 효율을 낮추고 하드웨어 요구량을 크게 늘려 양자 컴퓨터의 상용화를 어렵게 만들었다.
AWS 연구진은 양자 오류 정정을 위해 캣(cat) 큐비트를 사용했다. 캣 큐비트는 ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 영감을 받은 개념이다. 슈뢰딩거는 양자 상태를 고양이가 죽었으면서도 살아있는 것과 같다고 비유했다. 이와 비슷하게 캣 큐비트는 두 개의 양자 상태가 동시에 존재한다. 일반적인 큐비트는 0과 1과 같은 두 상태가 중첩돼 존재하지만, 동시에 존재하진 않는다.
캣 큐비트는 0이 1로, 또는 1이 0으로 바뀌는 것과 같은 ‘비트 플립 오류’에 매우 강하다. 예를 들어 0이 1로 바뀌더라도, 처음에 동시에 존재하던 1 역시 0으로 바뀌면서 균형을 유지하기 때문이다. 대신 양자 상태의 위상이 뒤집혀 계산의 부호가 달라지는 ‘페이즈 플립 오류’는 자주 발생한다. 일반 초전도 방식의 큐비트는 비트 플립과 페이즈 플립 오류 모두 자주 발생한다.
연구진은 캣 큐비트의 페이즈 플립 오류를 집중적으로 수정하는 오류 수정 코드를 설계했다. 초전도 양자 회로에 캣 큐비트를 배열한 뒤 나타나는 오류를 자동으로 감지하고 수정하도록 한 결과, 캣 큐비트 5개만으로 오류율을 1.75%에서 1.65%로 줄이는 데 성공했다. 기존 방식에서는 동일한 성능을 위해 추가 큐비트 수십 개가 필요했지만, 캣 큐비트는 훨씬 더 적은 자원으로 해낸 것이다.
허준 고려대 전기전자공학부 교수는 이번 연구에 대해 “캣 큐비트가 자연적으로 비트 플립 오류를 억제하는 효과에 페이즈 플립을 수정할 수 있는 코드를 결합해 오류율을 낮추는 데 성공했다”며 “아마존이 사용하는 방식에 구글, IBM의 오류 정정 방식을 합쳐 효율적인 양자 오류 정정을 구현한 하이브리드 방식”이라고 설명했다.
연구진은 “이 방식은 확장 가능성이 뛰어나기 때문에 대규모 양자 컴퓨터에도 적용할 수 있다”며 “페이즈 플립 오류를 수정하는 성능을 최적화하면 오류 없이 안정적으로 작동하는 내결함성 양자 컴퓨팅(FTQC)에 한 걸음 더 다가갈 것”이라고 밝혔다.
참고 자료
Nature(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7
아마존 방식에 구글·IBM 오류 정정 결합
지난해 12월 미국 라스베이거스에서 열린 아마존 웹 서비스(AWS) 콘퍼런스./AP 연합뉴스
양자 컴퓨터가 빅테크 기업들의 경연장이 됐다. 구글과 마이크로소프트(MS)에 이어 아마존이 양자 컴퓨터 연구 성과를 국제 학술지에 발표했다.
아마존 웹 서비스(AWS) 연구진은 기존 방식보다 훨씬 효율적인 양자 오류 수정 방법을 개발했다고 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 27일 발표했다.
기존 컴퓨터는 전자가 없거나 있는 것을 0과 1 비트(bit) 단위로 표현하지만, 양자 컴퓨터는 0과 1이 중첩될 수 있는 큐비트(qubit)를 쓴다. 큐비트가 늘면 계산능력이 획기적으로 늘어난다. 하지만 치명적 단점이 있다. 큐비트가 아주 작은 소음이나 미세한 진동에도 깨지기 쉬워 오류에 매우 취약하다. 이 점에서 양자 오류 정정이 필수적이다.
기존의 오류 정정 방식은 큐비트 수십 개를 추가로 사용한다. 정보를 큐비트 한 개에만 저장하면 오류가 발생할 때 복구하기 힘들어 정보를 큐비트 여러 개에 나눠 저장하기 때문이다. 이는 계산 효율을 낮추고 하드웨어 요구량을 크게 늘려 양자 컴퓨터의 상용화를 어렵게 만들었다.
AWS 연구진은 양자 오류 정정을 위해 캣(cat) 큐비트를 사용했다. 캣 큐비트는 ‘슈뢰딩거의 고양이’에서 영감을 받은 개념이다. 슈뢰딩거는 양자 상태를 고양이가 죽었으면서도 살아있는 것과 같다고 비유했다. 이와 비슷하게 캣 큐비트는 두 개의 양자 상태가 동시에 존재한다. 일반적인 큐비트는 0과 1과 같은 두 상태가 중첩돼 존재하지만, 동시에 존재하진 않는다.
캣 큐비트는 0이 1로, 또는 1이 0으로 바뀌는 것과 같은 ‘비트 플립 오류’에 매우 강하다. 예를 들어 0이 1로 바뀌더라도, 처음에 동시에 존재하던 1 역시 0으로 바뀌면서 균형을 유지하기 때문이다. 대신 양자 상태의 위상이 뒤집혀 계산의 부호가 달라지는 ‘페이즈 플립 오류’는 자주 발생한다. 일반 초전도 방식의 큐비트는 비트 플립과 페이즈 플립 오류 모두 자주 발생한다.
연구진은 캣 큐비트의 페이즈 플립 오류를 집중적으로 수정하는 오류 수정 코드를 설계했다. 초전도 양자 회로에 캣 큐비트를 배열한 뒤 나타나는 오류를 자동으로 감지하고 수정하도록 한 결과, 캣 큐비트 5개만으로 오류율을 1.75%에서 1.65%로 줄이는 데 성공했다. 기존 방식에서는 동일한 성능을 위해 추가 큐비트 수십 개가 필요했지만, 캣 큐비트는 훨씬 더 적은 자원으로 해낸 것이다.
허준 고려대 전기전자공학부 교수는 이번 연구에 대해 “캣 큐비트가 자연적으로 비트 플립 오류를 억제하는 효과에 페이즈 플립을 수정할 수 있는 코드를 결합해 오류율을 낮추는 데 성공했다”며 “아마존이 사용하는 방식에 구글, IBM의 오류 정정 방식을 합쳐 효율적인 양자 오류 정정을 구현한 하이브리드 방식”이라고 설명했다.
연구진은 “이 방식은 확장 가능성이 뛰어나기 때문에 대규모 양자 컴퓨터에도 적용할 수 있다”며 “페이즈 플립 오류를 수정하는 성능을 최적화하면 오류 없이 안정적으로 작동하는 내결함성 양자 컴퓨팅(FTQC)에 한 걸음 더 다가갈 것”이라고 밝혔다.
참고 자료
Nature(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7
