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미래기술

우주방사선, 양자 컴퓨팅의 새로운 위협으로 부상…오류 정정 기능 불능화

Jürgen Hill | COMPUTERWOCHE 2021.12.17
신뢰할 수 있는 오류 정정 기능은 양자 컴퓨터를 일상적인 용도에 사용하기 위해 해결해야 할 중요한 과제 중 하나이다. 그런데, 이 영역에서 양자 컴퓨팅 분야는 뜻하지 않은 방해로 어려움을 겪고 있다. 
 
ⓒ Google

테크니카(Technica)의 보도에 따르면, 구글 양자 프로세서의 오류 정정을 시험하는 과정에서 전체 오류 정정 프로세스가 산발적으로 실패했다. 연구팀은 이런 실패를 자연 방사선 때문으로 보고 있다. 자연 방사선은 우주 방사선과 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소의 붕괴 등을 말한다.

테크니카와 네이처 피직스에 따르면, 연구팀은 자연 방사선으로 인한 문제가 양자 연산의 오류 조정을 방해하기에 충분할 정도로 빈번하게 발생한다는 결론에 도달했다. 따라서 방사선의 영향을 제한할 수 있는 새로운 방안을 찾아야만 한다. 우주 방사선과 방사능은 전통적인 컴퓨터에도 문제가 되는데, 방사능이 물질과 부딪힐 때 전하가 유도하고 컴퓨터는 여기에 민감하게 반응하기 때문이다. 

하지만 양자 컴퓨팅에서 사용하는 큐빗은 객체의 양자 상태 형태로 정보를 저장한다. 우주 방사선은 여기에도 영향을 미치지만, 메커니즘은 완전히 다르다. 우주 방사선은 포논이라 형태로 발생하는 진동 에너지를 생성하고, 이들 에너지는 또 결합을 통해 준입자를 형성한다. 준입자는 양자 컴퓨터 하드웨어와 에너지를 교환할 수 있기 때문에 혼란을 일으킨다. 

하나의 큐빗에만 영향을 미친다면, 큰 문제가 아닐지도 모른다. 양자 컴퓨팅의 오류 정정이 단일 큐빗의 오류를 바로잡기 위한 것이기 때문이다. 하지만 준입자는 원래 위치 주변으로 팽창하며 여러 큐빗에 영향을 미친다. 오류 정정을 방해하기에 충분한 수준이다. 

정확하게 어떤 일이 일어나는지 파악하기 위해 구글 연구팀은 프로세서에서 오류가 가장 적게 발생하는 큐비트 26개를 선택해 모두 단일 양자 상태로 만들었다. 그리고 프로세서를 잠시 유휴 상태로 두고 큐비트의 상태가 유지되는지 확인했다. 프로세서가 유휴 상태인 100ms 동안 일반적인 오류 발생 빈도는 26개 중 4개였다. 하지만 우주 방사선과 충돌하면, 각 큐비트가 인접 큐비트에서 약 1mm나 떨어져 있는데도 불구하고 24개 큐비트가 오류 상태가 되었다.

환경 구성도 영향을 미친다. 오류 정정은 개별 큐비트에 영향을 미치는 오류로부터 양자 정보를 보호하기 위해 인접 큐비트의 그룹을 구성하는 것을 기반으로 하기 때문이다. 그러나 우주 방사선은 인접한 모든 큐비트에 동시에 영향을 미치기 때문에 이런 상황에서 오류 정정 기능을 유지할 수 있는 현실적인 방법이 없다. 

문제는 이런 상황이 연산 결과에 영향을 미칠 만큼 자주 발생하는지 여부이다. 빈번하지 않다면, 영향을 받은 계산을 버리고 다시 시작하면 된다. 현재까지 양자 컴퓨팅 관련 연구팀은 우주 방사선의 영향과 관련된 모든 것을 명확히 밝히지는 못했다. 평균적으로 오류는 10초에 한 번씩 발생했고, 향후 양자 컴퓨터가 사용될 알고리즘 대부분은 완료하는 데 여러 시간이 걸린다. 

일각에서는 천문학 분야의 경험과 지식을 이용하는 것을 고려하고 있다. 천문학자들은 이미지 하드웨어와 관련된 비슷한 문제를 겪고 있으며, 포논의 전파를 제한하기 위해 탐지기의 물리적 구조를 변경했다. 이런 접근법이 양자 컴퓨터에도 통할지는 아직 확실하지 않다. editor@itworld.co.kr
 Tags 양자컴퓨터 우주방사선 오류정정 큐비트 포논
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