quantum wave

• 저자 M. V. Larsen et al. (Xanadu Quantum Technologies Inc.)
• 저널 Nature
• 게재일 2026. 06. 04
• 카테고리 양자 컴퓨터
• DOI https://doi.org/10.1038/s41586-025-09044-5

효율적인 양자오류정정을 위한 보소닉 오류정정 코드

양자컴퓨팅 기술은 초전도, 포획이온, 중성원자, 광자 등 다양한 물리적 플랫폼을 기반으로 빠르게 발전하고 있으며, 최근에는 수백 개의 큐비트를 넘어 대규모 시스템으로 확장하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 시스템의 규모가 커질수록 연산과정에서 발생하는 오류가 누적되고 전파될 가능성이 높아지면서, 신뢰도 높은 양자컴퓨팅을 구현하기 위한 ‘양자 오류 정정(quantum error correction)’ 기술의 중요성이 커지고 있다. 양자오류정정의 기본원리는 정보를 더 많은 물리적 자유도에 분산해 저장함으로써, 오류가 발생하더라도 이를 감지하고 정정할 수 있도록 하는 것이다. 대다수의 플랫폼에서는 논리 큐비트의 정보를 다수의 물리 큐비트에 분산해 저장하는 오류정정 코드를 활용하고 있다. 양자오류정정 코드와 관련 기술에 대해서는 이전 양자 큐레이션 글(오창훈 교수님: https://quantumwave.or.kr/curation/view/id/3, 이석형 교수님: https://quantumwave.or.kr/curation/view/id/5, 권혁준 교수님: https://quantumwave.or.kr/curation/view/id/7)에서 소개된 바 있으니, 함께 참고하면 좋겠다.

한편, 무한한 차원을 갖는 보소닉 모드(bosonic mode)를 활용할 수 있는 플랫폼에서는 이를 이용한 ‘보소닉 오류정정 코드(bosonic error correction code)’가 주목받고 있다. 보소닉 오류정정은 다수의 물리 큐비트를 사용하지 않고도 하나의 모드 내에서 오류정정이 가능하다는 장점이 있어, 보다 자원 효율적인 오류정정 방식으로 연구되고 있다. 대표적인 보소닉 오류정정 코드로는 Gottesman, Kitaev, Preskill에 의해 개발된 GKP 코드가 있으며, 본 양자 큐레이션에서는 GKP 코드와 관련된 최근 연구 결과를 소개하고자 한다.

GKP 코드를 활용한 양자컴퓨터 개발 로드맵

Xanadu는 보소닉 오류정정 코드를 활용하는 대표적인 양자컴퓨팅 기업으로, 집적 광자칩에서 GKP 상태를 생성하고 이를  기반으로 확장 가능한 양자컴퓨터를 구현하는 것을 목표로 하고 있다. GKP 코드를 기반으로 하는 Xanadu의 개발 로드맵은 2021년 논문 ‘Blueprint for a Scalable Photonic Fault-Tolerant Quantum Computer’[Quantum 5, 392]에서 확인할 수 있으며, 2025년에는 이를 구체화한 아키텍처의 프로토타입인 Aurora를 발표하였다 [Nature 638, 912-919].

광학 플랫폼을 이용한 양자컴퓨팅에서는 비선형 연산이 반드시 필요하지만, 회로 내에서 충실도 높은 비선형 연산을 구현하기는 어렵다. GKP 코드 기반 아키텍처에서는 비선형성을 GKP 상태 생성에 집중하고, 이후의 연산은 선형 광학 연산만으로 수행하는 것이 핵심이다. 또한, GKP 상태는 특징적인 대칭 구조로 이루어져 있어, 보소닉 모드 내에서 발생하는 오류를 감지하고 정정할 수 있도록 한다. 따라서 이 아키텍처에서 가장 중요한 기술적 과제는 비선형성을 가진 GKP 상태를 생성하는 것이며, Xanadu에서는 최근 집적 광자칩에서 GKP 상태 생성을 실험적으로 구현한 연구 결과를 발표하였다.

GKP 상태 생성의 원리 검증

광학 플랫폼에서 비선형 양자상태를 생성하는 대표적인 방식은 광자수 측정을 이용하는 것이다. 여러 압축광 상태를 간섭시켜 얽힘 상태를 만들고 일부 모드에 광자수 측정을 수행하면 측정 결과에 따라 측정되지 않은 모드에 비선형성을 가진 양자 상태를 생성할 수 있다. Xanadu에서는 4개의 모드에 압축광 상태를 생성하여 간섭시키는 광집적회로를 만들고, 이 중 3개의 모드는 광자수 검출기로 연결하여 광자수 측정을 수행하도록 하였다. 검출기에서 각각 3개의 광자가 측정되었을 때, 최종 출력 모드에서는 GKP 상태의 특징인 규칙적인 격자구조와 Wigner 함수의 음수값을 확인하였다.

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Xanadu의 GKP 상태 생성을 위한 집적광회로
(그림 출처: Nature 642, 587-591)

이번 실험은 집적 광자칩에서 GKP 상태를 생성할 수 있음을 처음으로 실험적으로 보여주었다는 데 의의가 있다. 다만 생성된 GKP 상태의 품질은 아직 실용적인 양자컴퓨팅에 요구되는 수준에는 이르지 못했다. GKP 상태의 품질을 나타내는 유효 압축도(effective squeezing)는 0.62 dB로 측정되었으며, 이는 결함허용 양자컴퓨팅에서 요구되는 약 10 dB 수준에는 크게 미치지 못한다.

광기반 양자컴퓨팅의 과제와 향후 전망

GKP 상태의 품질을 향상시키기 위해서는 다양한 요소에서 기술적 개선이 필요하지만, 핵심적으로는 두가지로 볼 수 있다. 광자수 검출기에서 더 많은 광자수를 구분함으로써 보다 높은 비선형성을 얻을 수 있도록 하며, 회로에서 발생하는 광손실을 최소화하여 생성된 상태의 비선형성을 유지할 수 있도록 해야 한다. 실제로 논문에서 결함 허용 달성을 위해서는 7개 이상의 광자수 측정, 0.5% 미만의 광손실률이 필요함을 제시하고 있다.

현재 광기반 플랫폼에서의 GKP 큐비트는 다른 플랫폼에서의 논리 큐비트와 비교하면 아직 초기 단계에 머물러 있다. 하지만 GKP 코드 기반 아키텍처에서는 구현이 어려운 비선형성을 초기 상태 생성에 집중하였기 때문에, 높은 품질의 GKP 상태 생성이 가능해지면 이후의 연산을 비교적 손쉽게 수행할 수 있다. 또한 광기반 플랫폼은 큐비트 간의 연결성에 유리하다는 장점이 있어, GKP 상태 생성 기술 확보를 통해 대규모 양자컴퓨터 구현에 더욱 빠르게 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

연구 그룹 소개 및 연구 전망

Xanadu는 광기반 양자컴퓨팅을 연구하는 대표적인 양자기술 기업으로, GKP 코드 기반 아키텍처 구현을 중심으로 로드맵을 정하고 확장 가능한 결함허용 양자컴퓨터의 개발을 목표로 하고 있다. 2025년 발표한 Aurora 아키텍처와 집적 광자칩 기반 GKP 상태 생성 연구는 이러한 개발 방향을 구체적으로 보여주는 대표적인 성과이다.

Xanadu는 목표달성을 위해 광자칩, 광원, 광자수 검출기, 광손실 저감 등 실제 양자컴퓨터 구현에 필요한 핵심 요소기술을 함께 발전시키고 있다. 또한 하드웨어 뿐만 아니라 이를 뒷받침하는 소프트웨어도 함께 개발하고 있으며, 대표적으로 오픈소스 양자 소프트웨어 플랫폼인 PennyLane과 보소닉 모드의 시뮬레이션을 위한 MrMustard 등을 통해 양자 알고리즘과 하드웨어 개발을 연결하고 있다.