Loss-tolerant distributed lattice surgery using fusion networks

실제 세계의 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 데는 단순히 정보를 운반하는 수천 개의 작은 입자 그 이상, 즉 수백만 개의 입자가 필요합니다. 우주의 끊임없는 노이즈로부터 단 하나의 정보 조각을 보호하기 위해 필요한 물리적 구성 요소의 엄청난 수로 인해, 단일 기계가 이 모든 것을 담을 수 있을 만큼 커지는 것은 불가능합니다. 대신, 과학자들은 여러 개의 더 작은 양자 프로세서들이 서로 연결되어 분산된 네트워크를 형성하는 미래를 바라보고 있습니다. 문제는 바로 그 연결 자체에 있습니다. 기계 내부의 프로세서는 고체 물질로 만들어져 있지만, 프로세서 사이의 연결은 빛에 의존합니다. 이는 근본적인 불일치를 만듭니다. 고체 부분은 느리고 꾸준한 오류를 겪는 반면, 빛 기반의 연결은 광자가 단순히 사라져 버리는 갑작스럽고 치명적인 실패에 취약합니다.

이번 새로운 연구에서 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 연구진은 이 간극을 메울 방법을 개발했습니다. 그들은 빛의 손실을 피해야 할 재앙이 아니라, 관리 가능한 알려진 사건으로 취급하는 하이브리드 방식을 제안했습니다. 프로세서 내부에서 사용되는 표준 회로 기반 연산과 빛을 위해 설계된 측정 기반 접근 방식을 결합함으로써, 그들은 두 개의 별개 양자 메모리를 병합하는 프로토콜을 만들어냈습니다. 그들의 연구는 연결을 특정하고 길게 늘어진 패턴으로 배치함으로써, 병합 과정 동안 정보가 보호되는 거리를 두 배로 늘려 전체 시스템을 불가피한 광자 손실에 대해 훨씬 더 견고하게 만들 수 있음을 시사합니다.

문제의 핵심은 연결이 신뢰할 수 없는 네트워크 환경에서 두 양자 메모리를 병합하는 것과 같은 공동 작업을 어떻게 수행하느냐 하는 것입니다. 표준 설정에서는 두 양자 프로세서가 직접적인 통신 라인으로 연결될 수 있습니다. 만약 그 라인에서 광자가 손실되면 정보가 손상됩니다. 전통적인 방법들은 오류가 발생한 후에 이를 수정하려고 노력하지만, 손실률이 높을 때는 시스템이 감당할 수 없는 수준에 이르게 됩니다. 연구진은 광자 컴퓨팅에서 사용되는 다른 전략, 즉 입자의 손실을 '헤럴디드(heralded, 예고된)' 이벤트로 취급하는 방식에 주목했습니다. 이는 시스템이 광자가 누락되었음을 정확히 알 수 있음을 의미하며, 이를 통해 오류 수정 소프트웨어가 무엇이 잘못되었는지 추측하는 대신 실시간으로 전략을 조정할 수 있게 해줍니다.

이를 테스트하기 위해 팀은 양자 회로를 다이어그램으로 시각화하고 조작할 수 있는 ZX 칼큘러스(ZX calculus)라는 수학적 언어를 사용했습니다. 그들은 두 양자 메모리를 병합하는 것으로 알려진 표준 절차인 격자 수술(lattice surgery)에서 시작하여, 이 다이어그램을 변형해 고체 상태 구성 요소와 빛 기반 연결을 혼합하여 어떻게 구축할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 연결을 일련의 작은 선형 자원 체인으로 분할함으로써 '하이브리드' 인터페이스를 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 설정에서 고체 프로세서는 로컬 연산을 담당하고, 빛 기반의 연결은 프로세서 사이의 연결을 담당합니다. 결정적으로, 그들은 이 하이브리드 배치가 단순한 직선보다 훨씬 더 넓게 설계될 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구진은 이 새로운 아키텍처가 다양한 조건에서 얼마나 잘 견디는지 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 로컬 프로세서가 거의 완벽할 때, 새로운 하이브리드 방식이 최대 50%의 광자 손실률을 견딜 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 이 유형의 오류 수정에 대한 이론적 한계치로, 시스템이 연결 광자의 절반이 사라지더라도 생존할 수 있음을 의미합니다. 더 중요한 것은, 그들이 '보호 거리'를 측정했다는 점입니다. 양자 오류 수정에서 거리는 시스템을 파괴하기 위해 얼마나 많은 오류가 동시에 발생해야 하는지를 나타냅니다. 시뮬레이션 결과, 하이브리드 선형 체인 설계는 표준 직선 연결에 비해 가장 중요한 작업에 대한 보호 거리를 두 배로 늘렸습니다. 표준 연결이 코드 크기의 약 절반 정도의 보호 거리를 제공했다면, 새로운 방식은 이를 거의 전체 크기까지, 그리고 그 이상으로 확장했습니다.

하지만 이 새로운 설계의 이점은 로컬 프로세서의 품질에 크게 좌우됩니다. 연구진은 로컬 프로세서의 노이즈 수준을 달리하여 시뮬레이션을 실행해 새로운 방식이 언제 빛을 발하는지 확인했습니다. 로컬 프로세서에 중간 정도의 오류율이 있을 때, 더 긴 보호 거리의 이점은 로컬 노이즈에 의해 대부분 가려졌습니다. 이러한 조건에서 시스템은 기존 방식들과 유사하게 작동했습니다. 그러나 연구진이 로컬 오류율을 매우 낮은 수준으로 낮추자, 하이브리드 설계의 장점이 명확해졌습니다. 연결 품질이 개선됨에 따라 새로운 방식의 오류율은 기존 방식들보다 훨씬 더 빠르게 감소했습니다. 이는 이 새로운 아키텍처가 로컬 프로세서는 매우 신뢰할 수 있지만 네트워크 링크는 노이즈가 많은 미래를 위해 특별히 설계되었음을 시사합니다.

또한 연구는 연결에 사용되는 자원 상태가 더 작거나 '절단(truncated)'되었을 때 어떤 일이 발생하는지 탐구했습니다. 실제 상황에서는 거대한 얽힘 입자 체인을 생성하는 것이 너무 어려울 수 있으므로, 연구진은 더 짧은 체인을 테스트했습니다. 그들은 체인을 짧게 만들면 최대 허용 손실률은 낮아지지만, 보호 거리는 줄어들지 않는다는 것을 발견했습니다. 이는 더 작고 관리하기 쉬운 자원을 사용하더라도, 손실률이 특정 임계값 아래에 있다면 시스템이 구조적 이점인 더 넓은 보호 구역을 유지한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 8개의 입자를 포함하는 체인의 경우 시스템은 약 38%의 손실률을 견딜 수 있었고, 5개 입자 체인의 경우 약 32%를 견딜 수 있었습니다.

이론적 손실률을 실제 하드웨어와 관련 있는 물리적 광자 손실 임계값으로 변환하여 연구 성과를 실질적인 데 적용하기 위해, 팀은 물리적 광자 손실 임계값을 계산했습니다. 그들은 실제 광학 시스템에서 융합 측정(fusion measurement) 실패 시 성공 확률을 높이기 위해 추가 광자를 더해 실패를 보완할 수 있다는 점을 고려했습니다. 계산 결과, 적절한 수준의 부스팅(boosting)이 이루어진다면 새로운 하이브리드 프로토콜은 최상의 시나리오에서 거의 18%, 절단된 버전의 경우 약 9%의 물리적 광자 손실률을 견딜 수 있었습니다. 이는 분산 양자 컴퓨팅에 대한 이전의 추정치들보다 유의미한 개선이며, 기존 방식들은 훨씬 낮은 손실 허용치를 가지며 어려움을 겪었습니다.

연구진은 또한 시스템이 서로 다른 유형의 정보를 어떻게 보호하는지 조사했습니다. 양자 정보에는 '병합 관측량(merge observable)'과 '수직 관측량(perpendicular observable)'이라고 불리는 두 가지 주요 측면이 있습니다. 새로운 하이브리드 설계는 병합 관측량에 대한 보호를 크게 향상시켜 안전 마진을 사실상 두 배로 늘렸습니다. 그러나 수직 관측량에 대해서는 기존의 '지그재그(zig-zag)' 연결 패턴이 여전히 최상의 보호를 제공했습니다. 이는 새로운 하이브리드 방식이 큰 진전이긴 하지만, 아직 모든 측면의 문제를 완벽하게 해결하지는 못했음을 나타냅니다. 팀은 향후 연구가 빛 기반 링크의 실패 모드를 맞춤화하여 두 유형의 정보 모두에 대해 더 균형 잡힌 보호를 만드는 데 집중할 수 있다고 제안했습니다.

궁극적으로 이 연구는 미래의 양자 컴퓨터를 연결하는 청사진을 제공합니다. 이는 고체 상태 프로세서의 강점과 광자 네트워크의 손실 내성을 결합함으로써, 부분의 합보다 훨씬 더 탄력적인 분산 시스템을 구축할 수 있음을 보여줍니다. 이 결과는 로컬 양자 프로세서가 점점 더 신뢰할 수 있게 됨에 따라 병목 현상이 네트워크 링크로 옮겨갈 것임을 시사하며, 여기서 설명된 하이브리드 프로토콜이 그 병목 현상을 극복할 수 있는 방법을 제시합니다. 시뮬레이션은 적절한 설계가 있다면 양자 네트워크가 연결 광자의 절반을 잃더라도 생존할 수 있음을 확인해주며, 이는 실질적인 응용을 위해 필요한 거대한 규모의 양자 컴퓨터로 나아가는 현실적인 경로를 열어줍니다.