양자 컴퓨터, 세계 최초 불가사의 현상 시연 Scientists achieve 'magic state' quantum computing breakthrough 20 years in the making — quantum computers can never be truly useful without it

Scientists achieve 'magic state' quantum computing breakthrough 20 years in the making — quantum computers can never be truly useful without it

 

In a world first, scientists have demonstrated an enigmatic phenomenon in quantum computing that could pave the way for fault-tolerant machines that are far more powerful than any supercomputer.

 

The process, called "magic state distillation," was first proposed 20 years ago, but its use in logical qubits has eluded scientists ever since. It has long been considered crucial for producing the high-quality resources, known as "magic states," needed to fulfill the full potential of quantum computers.

 

https://www.yahoo.com/tech/science/articles/scientists-achieve-magic-state-quantum-150000939.html

 

*양자 컴퓨터 Quantum computer

양자역학의 원리를 이용하여 정보를 처리하는 컴퓨터입니다. 기존의 컴퓨터가 0과 1의 비트(bit)를 사용하는데 반해, 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)를 사용하여 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 현상을 이용합니다. 이러한 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 특정 연산에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도를 낼 수 있습니다.

 

과학자들은 20년 만에 '마법 상태' 양자 컴퓨팅 혁신을 달성했습니다.

양자 컴퓨터는 이것 없이는 결코 진정으로 유용할 수 없습니다

 

과학자들은 세계 최초로 양자 컴퓨팅 에서 불가사의한 현상을 시연했는데 , 이는 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 더 강력한 내결함성 기계의 길을 열어줄 수 있습니다.

 

"마법 상태 증류(magic state distillation)"라고 불리는 이 과정은 20년 전에 처음 제안 되었지만 , 그 이후로 과학자들은 논리 큐비트에 이 과정을 적용하는 데 어려움을 겪었습니다. 이 과정은 양자 컴퓨터의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 필요한 "마법 상태"라고 불리는 고품질 자원을 생성하는 데 오랫동안 필수적인 것으로 여겨져 왔습니다.

 

마법 상태는 미리 준비된 양자 상태로, 가장 복잡한 양자 알고리즘에 의해 자원으로 소비됩니다. 이러한 자원이 없으면 양자 컴퓨터는 양자역학 의 기묘한 법칙을 이용하여 정보를 병렬로 처리할 수 없습니다.

반면, 마법 상태 증류는 가장 복잡한 양자 알고리즘에서 활용할 수 있도록 가장 높은 품질의 마법 상태를 "정제"하는 필터링 과정입니다.

 

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이 프로세스는 지금까지 오류가 발생하기 쉬운 일반 물리적 큐비트에서는 가능했지만 논리적 큐비트에서는 불가능했습니다. 논리적 큐비트는 동일한 데이터를 공유하고 양자 컴퓨팅 작업을 자주 방해하는 오류를 감지하고 수정하도록 구성된 물리적 큐비트 그룹입니다.

 

논리적 큐비트에서 마법적 상태를 증류하는 것이 지금까지 불가능했기 때문에 논리적 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터는 이론적으로 기존 컴퓨터를 앞지르지 못했습니다.

 

그러나 QuEra를 보유한 과학자들은 이제 처음으로 논리 큐비트에서 마법 상태 증류를 실제로 시연했다고 밝혔습니다. 그들은 7월 14일 네이처( Nature) 저널에 발표된 새로운 연구에서 이러한 결과를 요약했습니다 .

 

"양자 컴퓨터는 이러한 마법의 상태 증류 과정 없이는 그 약속을 지킬 수 없을 것입니다. 이는 필수적인 이정표입니다." QuEra의 최고상업책임자 (CCO)인 유발 보거는 라이브 사이언스(Live Science)와의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다. 보거는 이 연구에 직접 참여하지 않았습니다.

 

내결함성 양자 컴퓨팅으로 가는 길

양자 컴퓨터는 큐비트를 기본 단위로 사용하고, 양자 논리(양자 정보 처리 방식을 지배하는 규칙과 연산의 집합)를 사용하여 알고리즘을 실행하고 데이터를 처리합니다. 하지만 문제는 매우 복잡한 알고리즘을 실행하면서도 오류율을 매우 낮게 유지하는 것입니다.

 

문제는 물리적 큐비트가 본질적으로 "잡음"을 가지고 있다는 것입니다. 즉, 온도 변화나 전자기파와 같은 요인으로 인해 계산이 종종 방해를 받는다는 뜻입니다. 이것이 바로 많은 연구가 양자 오류 정정 (QEC)에 집중되어 온 이유입니다.

 

큐비트에서는 1,000분의 1의 비율로 발생하는 반면, 일반 비트에서는 100만분의 1의 비율로 발생하는 오류를 줄이면 중단을 방지하고 빠른 속도로 계산을 수행할 수 있습니다. 바로 이 부분에서 논리적 큐비트가 등장합니다.

 

"양자 컴퓨터가 유용하려면 상당히 길고 정교한 계산을 수행해야 합니다. 오류율이 너무 높으면 이 계산은 빠르게 쓸모없는 데이터로 변합니다."라고 QuEra의 양자 시스템 부사장이자 이 연구의 주저자인 세르히오 칸투는 Live Science와의 인터뷰에서 말했습니다. "오류 수정의 궁극적인 목표는 이 오류율을 낮춰 백만 번의 계산을 안전하게 수행할 수 있도록 하는 것입니다."

 

논리적 큐비트는 동일한 정보를 공유하고 중복성의 원리에 기반하는 얽힌 물리적 큐비트들의 집합입니다. 논리적 큐비트 내 하나 이상의 물리적 큐비트가 실패하더라도, 정보가 다른 곳에 존재하기 때문에 계산은 중단되지 않습니다.

 

하지만 논리적 큐비트는 극히 제한적이라고 과학자들은 말했다. 왜냐하면 큐비트에 적용된 오류 정정 코드는 양자 회로의 기본 연산인 "클리포드 게이트"만 실행할 수 있기 때문이다. 이러한 연산은 양자 회로의 기초이지만, 매우 기본적이어서 어떤 슈퍼컴퓨터에서도 시뮬레이션할 수 있다.

 

Perplexity

 

과학자들은 고품질 마법 상태를 활용해야만 "클리포드 게이트가 아닌 게이트"를 실행하고 진정한 병렬 처리를 수행할 수 있습니다. 하지만 이러한 병렬 처리를 생성하는 데는 엄청난 리소스와 비용이 소요되며, 지금까지 논리적 큐비트에서는 달성할 수 없었습니다.

 

본질적으로, 물리적 큐비트의 마법 상태 증류에만 의존하는 것은 결코 양자적 이점을 가져다주지 못합니다 . 이를 위해서는 논리적 큐비트의 마법 상태를 직접 증류해야 합니다.

 

마법의 상태는 슈퍼컴퓨팅을 넘어서는 역량의 길을 열어줍니다.

"마법 상태는 우리가 수행할 수 있는 연산의 수와 유형을 확장할 수 있게 해줍니다. 따라서 실질적으로 가치 있는 양자 알고리즘이라면 마법 상태가 필요합니다."라고 칸투는 말했습니다.

 

우리가 해왔던 것처럼 물리적 큐비트에서 마법 상태를 생성하는 것은 복합적인 문제입니다. 품질이 낮은 마법 상태와 품질이 높은 마법 상태가 존재하며, 이러한 상태들을 개선해야 합니다. 그래야만 가장 강력한 프로그램과 양자 알고리즘을 구동할 수 있습니다.

 

이 연구에서 과학자들은 제미니 중성 원자 양자 컴퓨터를 사용하여 다섯 가지 불완전한 마법 상태를 하나의 더 깨끗한 마법 상태로 정제했습니다. 그들은 거리-3과 거리-5 논리 큐비트에 대해 이 실험을 각각 수행하여, 논리 큐비트의 품질에 따라 크기가 조절됨을 보였습니다.

 

"거리가 멀수록 더 나은 논리적 큐비트를 의미합니다. 예를 들어 거리-2는 오류를 감지할 수는 있지만 수정할 수는 없음을 의미합니다. 거리-3은 하나의 오류를 감지하고 수정할 수 있음을 의미합니다. 거리-5는 최대 두 개의 오류를 감지하고 수정할 수 있음을 의미하며, 이런 식으로 계속됩니다."라고 보거는 설명했습니다. "따라서 거리가 멀수록 큐비트의 충실도가 높아지는데, 이는 원유를 증류하여 제트 연료를 만드는 것과 같습니다."

 

증류 과정의 결과, 최종 마법 상태의 충실도는 어떤 입력의 충실도보다 뛰어났습니다. 이는 내결함성 마법 상태 증류가 실제로 작동함을 증명했다고 과학자들은 말했습니다. 이는 논리적 큐비트와 고품질 마법 상태를 모두 사용하여 클리포드 게이트가 아닌 게이트를 실행하는 양자 컴퓨터가 이제 가능함을 의미합니다.

 

"몇 년 전과는 다른 변화가 일어나고 있습니다."라고 보거는 말했다. "과제는 '양자 컴퓨터를 과연 만들 수 있을까?'였습니다. 그다음은 '오류를 감지하고 수정할 수 있을까?'였습니다. 저희와 구글, 그리고 다른 기업들은 '네, 가능합니다'라는 것을 보여주었습니다. 이제 중요한 것은 '이러한 컴퓨터를 진정으로 유용하게 만들 수 있을까?'입니다. 컴퓨터를 진정으로 유용하게 만들려면, 크기를 키우는 것 외에도 기존 컴퓨터에서는 시뮬레이션할 수 없는 프로그램을 실행할 수 있어야 합니다."

 

Scientists achieve 'magic state' quantum computing breakthrough 20 years in the making — quantum computers can never be truly useful without it

https://www.yahoo.com/tech/science/articles/scientists-achieve-magic-state-quantum-150000939.html

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