한양대학교 ERICA캠퍼스 수리물리연구실 권영헌 교수 연구팀이 IBM 양자컴퓨터에서 ‘플래그 큐비트(flag qubit)’를 활용한 양자 오류 정정 회로(syndrome extraction circuit) 구현에 세계 최초로 성공했다고 24일 밝혔다. 이번 연구는 양자컴퓨터 상용화의 핵심 기술인 ‘양자 오류 정정(Quantum Error Correction)’ 분야에서 중요한 기술적 진전으로 평가된다.

양자컴퓨터는 기존의 고전 컴퓨터가 처리하기 어려운 복잡한 계산을 빠르게 수행할 잠재력을 지니고 있지만, 외부 환경에 민감한 큐비트(qubit)의 특성상 오류가 쉽게 발생한다는 한계를 안고 있다. 특히 회로 규모가 커질수록 오류가 누적되어 계산 정확성이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

권영헌 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 IBM의 비위상적(non-topological) 구조를 가진 양자 하드웨어에서 플래그 큐비트를 이용한 오류 정정 회로를 직접 구현했다. 기존 IBM 시스템에서는 하드웨어 제약으로 인해 실제 오류 정정 회로의 구현이 어려웠으나, 연구팀은 플래그 큐비트를 도입해 오류를 효과적으로 검출하는 ‘신드롬 추출 회로(syndrome extraction circuit)’를 완성했다.

연구팀은 반복 코드(repetition code)를 적용해 실험을 수행한 결과, 코드의 거리(길이)가 3에서 9로 증가할수록 논리적 오류율(logical error rate)이 꾸준히 감소하는 현상을 확인했다. 또한 데이터 큐비트와 오류 검출용 큐비트가 물리적으로 떨어져 있거나, 그 사이에 플래그 큐비트가 존재하더라도 동일한 경향이 나타나 플래그 큐비트의 실질적 효과가 입증됐다. 이는 플래그 큐비트를 활용한 회로가 실제 하드웨어 제약 속에서도 효과적으로 작동함을 보여준다.

권 교수는 “IBM 상용 양자 프로세서에서 오류 정정 회로의 효용성을 실험적으로 증명했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 더 복잡한 코드로 확장하면 실제 오류 억제 성능을 한층 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 대규모·오류내성(fault-tolerant) 양자컴퓨팅 실현을 향한 중요한 이정표로 평가되며, 향후 양자 하드웨어의 안정성 향상과 실용적 양자컴퓨터 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이번 성과는 한국연구재단의 양자정보과학 인적기반 조성사업 및 개인기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 양자물리 분야 세계적 학술지 『Quantum』 10월 24일 게재됐다.

해당 논문 「Effectiveness of the syndrome extraction circuit with flag qubits on IBM quantum hardware」에는 김영훈 석사 졸업생이 제1저자, 권영헌 교수가 교신저자로 참여했다.