Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

양자 컴퓨터는 새로운 의약품 설계부터 복잡한 재료 모델링에 이르기까지, 오늘날의 기계로는 불가능한 문제들을 해결할 것을 약속합니다. 그러나 이 기계들은 믿을 수 없을 정도로 취약합니다. 열이나 전자기파로부터 오는 아주 작은 방해조차도 그들이 보유한 정보를 뒤섞어 놓을 수 있습니다. 유용한 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 과학자들은 '양자 오류 정정'이라 불리는 방법을 사용하여 이 섬세한 데이터를 보호해야 합니다. 이 접근 방식은 하나의 정보 조각을 여러 물리적 입자에 분산시켜, 만약 하나가 실패하더라도 다른 것들이 무슨 일이 일어났는지 밝혀내고 이를 수정할 수 있게 하는 안전망과 같은 역할을 합니다. 이 안전망을 위한 가장 인기 있는 청사진은 '표면 코드(surface code)'라고 불리며, 이는 이러한 입자들을 평평한 격자 형태로 배열합니다. 연구자들은 이 격자로부터 오류를 읽고 수정하는 방법은 숙달했지만, 여전히 고집스러운 문제가 남아 있습니다. 그것은 바로 생성 과정 자체에서 새로운 오류를 유발하지 않으면서 어떻게 처음에 보호된 '논리적' 상태의 정보를 생성할 것인가 하는 점입니다.

수년 동안, 이러한 시작 상태를 준비하는 표준적인 방법은 2단계 과정을 포함했습니다. 먼저, 과학자들은 모든 물리적 입자를 단순하고 알려진 상태로 설정합니다. 그다음, 격자의 안정성을 확인하기 위해 일련의 측정을 수행하며, 그 결과들을 사용하여 시스템을 조정합니다. 이 방법은 작동하지만, 숨겨진 결함이 있습니다. 측정 행위는 느리고 오류가 발생하기 쉬우며, 격자를 점검하는 과정은 때때로 코드가 잡아낼 수 없는 방식으로 실수를 확산시킬 수 있습니다. 더욱이, 포획된 이온(trapped ions)이나 중성 원자(neutral atoms)를 사용하는 것과 같은 일부 고급 양자 기계에서는, 측정 행위가 단순히 게이트(양자 스위치)를 적용하는 것보다 훨씬 더 느리고 노이즈가 심하기 때문에 표준 방식이 병목 현상이 됩니다. 연구자들은 이 상태들을 오직 빠르고 국소적인 연산만을 사용하여 준비하는 방법을 오랫동안 찾아왔지만, 이전의 시도들은 코드가 제공해야 할 높은 수준의 보호 기능을 유지하는 데 실패했습니다.

새로운 연구에서, 한 연구팀은 측정을 통한 준비 단계 없이 오직 빠르고 국소적인 연산만을 사용하여 이러한 보호된 상태를 준비하는 방법을 개발했습니다. 그들은 표면 코드에 필요한 복잡하고 얽힌 상태를 밑바닥부터 구축하는 특정 연산 순서를 발견했습니다. 그들의 성공의 핵심은 입자 간의 연결을 다루는 방식에 있습니다. 많은 장치에서 물리적으로 불가능한 방식인 모든 입자를 한꺼번에 서로 연결하려고 시도하는 대신, 그들은 격자의 물리적 배치를 존중하는 단계별 접근 방식을 사용합니다. 그들은 단순한 상태에서 시작하여 연결을 점진적으로 확장하며, 과정 중에 발생하는 작은 오류가 통제 불능 상태로 퍼지지 않고 작게 유지되도록 단계들을 신중하게 정렬합니다. 이를 통해 최종 상태는 측정 기반 방식에 의해 생성되었을 때만큼이나 잘 보호되도록 보장합니다.

연구진은 현실적인 노이즈 조건 하에서 양자 게이트의 동작을 모델링한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 자신들의 아이디어를 테스트했습니다. 그들은 다양한 크기의 표면 코드에 대해 새로운 방법을 표준 측정 기반 방식과 비교했습니다. 결과는 특정 유형의 양자 하드웨어, 특히 측정이 느리고 노이즈가 심한 환경에서 그들의 새로운 방법이 현저히 더 낫다는 것을 보여주었습니다. 어떤 경우에는 새로운 접근 방식이 표준 방식에 비해 논리적 오류율을 10분의 1로 줄였습니다. 이러한 개선은 두 가지 주요 요인에서 비롯됩니다. 새 방법은 전체 연산 횟수가 적어 문제가 생길 기회가 적으며, 데이터를 측정 장치와 주고받을 때 일반적으로 발생하는 오류를 피한다는 점입니다.

연구팀은 또한 두 가지 변형된 방법을 탐구했습니다. 한 버전은 주 데이터 입자들 사이의 연결을 잇는 '안실라(ancilla)'라고 불리는 추가적인 헬퍼 입자들을 사용합니다. 또 다른 버전은 시뮬레이션에서 훨씬 더 좋은 성능을 보였는데, 이는 헬퍼 없이 데이터 입자들을 서로 직접 연결하는 방식입니다. 이러한 직접 연결은 중성 원자 배열이나 포획된 이온 시스템처럼 입자를 이동시키거나 연결을 즉석에서 재구성할 수 있는 기계에서 가능합니다. 헬퍼 입자의 필요성을 제거함으로써, 연구진은 잠재적인 오류의 한 부류를 제거하여 더 깨끗하고 신뢰할 수 있는 시작 상태를 만들어냈습니다.

이 연구는 양자 컴퓨팅의 미래에 있어 매우 중요한데, 측정이 어려운 하드웨어 플랫폼을 위한 실질적인 경로를 제시하기 때문입니다. 새로운 방법은 단계 수 측면에서는 측정 기반 방식보다 실행 시간이 약간 더 길지만, 많은 기계에서 실제로 실행되는 시간은 훨씬 더 빠를 것입니다. 왜냐하면 이 방법이 사용하는 단계들은 느리고 노이즈가 심한 측정보다 훨씬 빠르게 실행되는 연산들이기 때문입니다. 더 중요한 것은, 이것이 결정적인 안전 문제를 해결한다는 점입니다. 즉, 상태가 생성되는 순간부터 오류 정정 코드가 제공하는 보호 기능이 보존된다는 것을 보장합니다. 이는 컴퓨터가 계산을 시작할 때, 한 차례의 교정 과정을 거칠 때까지 취약한 상태로 시작하는 것이 아니라, 이미 오류에 강한 상태로 시작함을 의미합니다.

연구진은 자신들의 방법이 모든 가능한 양자 아키텍처에 대한 보편적인 해결책은 아니라는 점을 인정합니다. 예를 들어, 이 방법은 인접한 입자 간의 연산을 수행하는 능력에 의존하며, 생성 단계 동안 모든 유형의 오류에 동시에 대응하여 보호하는 문제를 아직 해결하지 못했습니다. 그러나 순수하게 연산 중심적이고 측정이 필요 없는 접근 방식이 전통적인 방식과 동일한 수준의 안전성을 달 可以 있음을 입증함으로써, 그들은 새로운 문을 열었습니다. 그들의 작업은 차세대 양자 프로세서, 특히 원자나 이온으로 구축된 프로세서의 경우, 계산을 시작하는 가장 신뢰할 수 있는 방법이 측정을 완전히 건너뛰고 빠르고 정밀한 게이트를 통해 상태를 구축하는 것일 수 있음을 시사합니다. 이러한 변화는 양자 컴퓨터가 측정을 기다리는 시간을 크게 줄이고 전체 오류율을 낮추어, 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅이라는 꿈에 한 걸음 더 다가가게 할 것입니다.