영화나 게임에서 종종 등장하는 텔레포트는 상상은 쉽지만 현실성은 없다싶이한 말 그대로 상상속의 기술입니다. 이번 포스팅에서는 아직은 멀지만 텔레포트와 관련된 연구내용이 담긴 IEEE Spectrum의 글을 통해 관련 내용을 소개합니다.
퀀텀 컴퓨팅과 텔레포트
정보를 먼 거리에서 즉시 “텔레포트”할 수 있는 능력은 양자 컴퓨터를 독특하게 강력하게 만드는 기현상 중 하나입니다. 퀀티넘의 연구진은 이제 “논리 큐비트”로 이 현상을 실현할 수 있음을 보여주었으며, 이는 대규모 양자 컴퓨터로 나아가는 중요한 이정표라고 평가하고 있습니다.
텔레포트는 얽힘이라는 양자역학의 또 다른 특성에 의존하는데, 얽힘은 물리적 시스템을 연결해 두 시스템이 양자 상태를 공유할 수 있게 만듭니다. 이 연결을 통해 두 개의 얽힌 입자가 서로 상당한 거리에 떨어져 있어도 양자 정보를 빠르게 전송할 수 있습니다.
하지만 이를 양자 컴퓨터에서 구현하는 것은 도전 과제입니다. 양자 정보를 인코딩하는 큐비트는 본질적으로 노이즈가 많고 신뢰할 수 없기 때문에 연구자들은 여러 개의 물리적 큐비트에 정보를 분산시켜 더 안정적인 “논리 큐비트”를 만드는 양자 오류 수정 코드를 개발해왔습니다. 논리 큐비트는 오류에 더 강하며, 오류 내성이 있는 양자 컴퓨터를 실현하는 데 중요한 요소로 여겨집니다. 하지만 더 많은 큐비트를 사용하게 되면서 양자 정보를 텔레포트하는 과정이 상당히 복잡해집니다.
이번 달 초 사이언스에 발표된 논문에서 콜로라도주 브룸필드에 있는 퀀티넘의 연구팀은 자사의 트랩-이온 양자 컴퓨터를 사용해 논리 큐비트를 안정적으로 텔레포트하는 방법을 설명했습니다. 퀀티넘의 수석 이론가인 데이비드 헤이즈는 이 돌파구가 기계 내부에서 정보 전송을 가속화함으로써 더 큰 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 설명했습니다. 그는 이를 통해 양자 정보를 컴퓨터의 한쪽에서 다른 쪽으로 순식간에 이동시킬 수 있다고 덧붙였습니다.
이번 연구는 2022년 미국 정보 고등 연구 계획 활동(IARPA)에서 제시한 과제로, 95% 이상의 정확도로 논리 큐비트를 텔레포트하는 능력을 입증하는 것을 목표로 했습니다. 연구팀은 퀀티넘의 H2 프로세서에서 실험을 수행했으며, 이 프로세서는 32개의 트랩-이온 큐비트가 작은 트랙을 따라 이동하는 구조로 설계되어 있습니다.
단일 큐비트를 텔레포트하는 프로토콜은 1993년에 개발되었습니다. 먼저 두 큐비트를 얽히게 하며, A 큐비트는 제자리에 남고 B 큐비트는 다른 위치로 이동됩니다. 전송할 정보를 인코딩한 C 큐비트는 A 큐비트와 얽히게 됩니다. 그 후 A 큐비트와 C 큐비트의 양자 상태를 비교하는 측정이 이루어지며, 그 결과 두 비트의 고전적 정보가 생성되어 두 큐비트의 양자 상태 간의 관계를 인코딩하게 됩니다.
이 고전적 정보는 일반적인 방식으로 B 큐비트에 전달됩니다. A 큐비트와 B 큐비트가 동일한 양자 상태를 가지기 때문에, 이 정보를 사용해 B 큐비트의 양자 상태를 C 큐비트와 동일하게 변환할 수 있습니다. 이렇게 해서 C 큐비트의 양자 정보가 직접 전송되지 않고 B 큐비트로 텔레포트됩니다.
헤이즈는 논리 큐비트를 사용할 경우, 단일 큐비트가 아니라 여러 큐비트를 얽히게 해야 하므로 프로토콜이 훨씬 복잡해진다고 설명했습니다. 그러나 퀀티넘의 하드웨어는 큐비트를 물리적으로 이동시킬 수 있어 큐비트 간의 연결을 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 이를 다소 쉽게 구현할 수 있었습니다. 이를 통해 그룹은 각각 7개의 물리적 큐비트로 구성된 논리 큐비트를 얽히게 하는 이른바 “횡단 게이트”를 사용할 수 있었습니다.
헤이즈는 논리 큐비트가 마치 서로 바로 위에 앉아 직접 상호작용하는 것처럼 상상할 수 있으며, 큐비트 1은 다른 큐비트 1과, 큐비트 2는 다른 큐비트 2와 상호작용하고, 7개의 큐비트 모두가 그렇게 상호작용한다고 설명했습니다.
이 단순성 덕분에 이들은 97.5%의 정확도로 논리 큐비트를 텔레포트하는 데 성공했으며, 이는 IARPA가 설정한 목표를 훨씬 초과하는 결과입니다. 하지만 모든 양자 컴퓨터가 횡단 게이트를 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 초전도 큐비트와 같이 큐비트가 고정되어 있는 아키텍처에서는 이러한 게이트를 사용할 수 없습니다. 이에 연구팀은 물리적 큐비트 간의 직접적인 상호작용 없이 논리 큐비트를 얽히게 할 수 있는 “격자 수술”이라는 또 다른 접근법도 테스트했습니다. 하지만 헤이즈는 이 접근법이 더 복잡하며 훨씬 많은 작업이 필요하므로 85.1%의 정확도만 달성할 수 있었다고 설명했습니다.
헤이즈는 논리 큐비트를 안정적으로 텔레포트할 수 있는 능력이 더 큰 트랩-이온 양자 컴퓨터를 구축하는 데 매우 유용할 수 있으며, 심지어 분산된 양자 컴퓨팅 시스템에서도 잠재적으로 활용될 수 있다고 평가했습니다. 큐비트를 이동시킬 수 있는 능력이 이 아키텍처의 주요 장점 중 하나이지만, 큐비트 이동이 비교적 느린 과정이기 때문에 더 큰 규모에서는 비효율적일 수 있습니다. 큐비트를 물리적으로 이동시키지 않고도 작동하는 텔레포트 프로토콜은 고전 컴퓨터처럼 양자 정보를 빠르게 전송할 수 있게 할 것이라고 설명했습니다. 텔레포트 과정에서 전송해야 하는 것은 단지 두 비트의 고전적 정보뿐이므로, 정보를 거의 빛의 속도로 전기 신호와 전선을 통해 이동시킬 수 있다고 덧붙였습니다.
시드니 대학교의 물리학 교수인 스티븐 바틀렛은 이번 결과의 가장 흥미로운 점은 오류 수정된 양자 컴퓨터에서 실제로 계산을 수행할 수 있음을 입증한 것이라고 설명했습니다. 이전 실험에서는 오류 수정을 사용해 양자 정보를 “살려둘 수 있다”는 것은 입증되었으나, 그 정보를 조작할 수 있다는 것은 입증되지 않았습니다. 프로세서 내부에서 논리 큐비트를 이동시키기 위해 텔레포트를 사용하는 것은 이제 컴퓨터가 단순한 메모리가 아닌 실제 컴퓨터로 작동하기 시작했음을 보여준다고 그는 덧붙였습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 퀀티넘이 논리 큐비트 텔레포트에 성공한 연구를 중심으로, 양자 컴퓨팅의 중요한 진전과 이를 가능하게 한 기술적 배경을 살펴보았습니다. 양자 얽힘과 오류 수정 기술을 결합한 이번 성과는 대규모 양자 컴퓨터 구현에 한 걸음 더 가까워졌음을 보여줍니다. 이러한 연구는 단순히 이론적 발견을 넘어 실질적인 컴퓨팅 환경에서 양자 정보를 빠르고 정확하게 처리할 수 있는 가능성을 제시하며, 향후 양자 컴퓨터가 더 많은 분야에서 혁신을 일으킬 수 있을 것으로 기대됩니다.