소개

세계는 양자 우위의 시대에 다가가고 있습니다. 여기서 양자 우위란 하이브리드 양자-고전 시스템에서 다음과 같은 방식으로 작업을 수행하는 것을 의미합니다.

• 출력의 정확성을 엄밀하게 검증할 수 있습니다.
• 계산이 양자 분리를 보여줍니다. 즉, 고전적 방법만 사용할 때보다 더 우수한 효율성, 비용 효율성 또는 정확성을 제공합니다.

가까운 미래에 양자 우위에 도달하려면 오늘날의 양자 하드웨어를 최대한 활용하기 위해 사용 가능한 모든 도구를 동원해야 합니다. 실제로 이는 잡음과 오류를 정면으로 다뤄야 함을 의미합니다. 우리는 이러한 문제를 해결하기 위해 오류 억제, 오류 완화, 오류 감지, 오류 정정을 포함하여 계속 확장되는 도구 모음을 가지고 있습니다. 이러한 개념들은 결함 허용 양자 컴퓨팅으로 가는 길에서 연속적인 스펙트럼 위에 놓여 있다는 점도 한 이유가 되어 구분하기 어려울 수 있습니다. 대략적으로 말하면 다음과 같습니다.

• 오류 억제는 특정 오류가 애초에 발생할 확률을 줄이는 것을 목표로 합니다.
• 오류 완화는 이미 발생한 오류가 최종 결과에 미치는 영향을 줄이고자 합니다.
• 오류 감지 및 정정은 양자 정보를 여러 큐비트에 걸쳐 중복 인코딩하여, 일관성 검사를 통해 오류를 감지하고 정정할 수 있도록 합니다.

일부 기법은 이러한 경계를 흐릿하게 만듭니다. 예를 들어 회로 수준에서 오류를 감지하고 유효하지 않은 샷을 버리거나 후처리에서 확률적으로 복구할 수 있다면, 이는 제한된 형태의 오류 정정으로 볼 수 있지만, 양자 오류 정정 코드의 완전한 결함 허용 구조는 갖추고 있지 않습니다.

또 다른 예인 파울리 트와일링(Pauli twirling)은 잡음을 재구성하여 확률적 파울리 과정처럼 동작하도록 만듭니다. 이는 결맞음 오류의 축적을 늦추고 오류 완화와 같은 다른 기법의 효과를 높일 수 있습니다. 그러나 그 자체로는 억제나 완화라기보다는 잡음 조정(noise tailoring)의 한 형태로 설명하는 것이 더 적절합니다.

이러한 도구들은 상호 배타적이지 않습니다. 효과적인 워크플로는 흔히 여러 접근법을 조합합니다. 억제와 완화는 오늘날 널리 적용되고 있으며, 오류 감지는 일부 워크플로에서 잘못된 결과를 버리거나 올바른 상태를 확률적으로 복구하는 데 사용될 수 있습니다. 한편, 점점 더 발전된 형태의 오류 정정도 꾸준히 실현 가능한 범위 안으로 들어오고 있습니다. 이러한 방법들을 활용하고 조합함으로써 결함 허용 양자 컴퓨팅으로 가는 연속적인 경로를 구축할 수 있습니다. 깊은 이론적 배경 없이 여러 오류 완화 기법을 활용하는 간소화된 접근법을 원한다면, IBM Quantum® Platform의 이 튜토리얼을 참고하세요.

이 코스, Tools for Quantum Advantage에서는 양자 잡음과 오류를 관리하기 위한 가장 유망한 방법들을 살펴봅니다. 우리의 초점은 Qiskit을 사용한 실제 응용을 탐구하는 데 있으며, 동시에 어떤 사용 사례에 어떤 기법이 적합한지 판단하는 데 도움이 될 만큼의 이론적 배경도 제공합니다. 또한 하나의 워크플로 안에서 어떤 방법들을 효과적으로 조합할 수 있고, 어떤 방법들은 일반적으로 함께 쓰기 어려운지도 짚어 봅니다.

양자 우위를 손에 넣는 데 도움이 될 도구들을 함께 살펴봅시다.