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ABSTRACT
Similar to present computers, quantum computers comprise quantum bits (qubits) and an operating system. However, because the quantum states are fragile, we need to correct quantum errors using entangled physical qubits with quantum error correction (QEC) codes. The combination of entangled physical qubits with a QEC protocol and its computational model are called a logical qubit and fault- tolerant quantum computation, respectively. Thus, QEC is the heart of fault-tolerant quantum computing and overcomes the limitations of noisy intermediate-scale quantum computing. Therefore, in this study, we briefly survey the status of QEC codes and the physical implementation of logical qubit over various qubit technologies. In summary, we emphasize 1) the error threshold value of a quantum system depends on the configurations and 2) therefore, we cannot set only any specific theoretical and/or physical experiment suggestion.
  
KEYWORDS     NISQ,    결함허용양자컴퓨팅,    양자오류보정,    큐비트

양자컴퓨터는 양자 역학적 현상을 적용하여 다 수의 정보를 병렬 연산을 통해 처리하기 때문에 기 존 컴퓨터를 월등히 뛰어넘는 연산 처리 능력을 가 지고 있다. 따라서 양자컴퓨팅은 빅데이터, AI, 암호 등에 적용하여 의료, 금융, 물류, 항공우주, IT 등 방대한 데이터 처리를 요구하는 사회 전 분야 에 활용할 수 있어 본격적으로 4차 산업혁명을 이 끌 수 있는 핵심기술로서 그 파급력은 크다고 할 수 있다. 

양자컴퓨팅에서 가장 기본적인 연산인 유니타리(Unitary) 양자 게이트를 정확하게 수행하기 위해서 는 큐비트의 결맞음(Coherence) 시간과 게이트의 신 뢰도(Fidelity)가 중요하다. 기본적으로 큐비트는 물리 시스템이므로 결맞음 시간과 게이트 신뢰도를 무한히 향상시키더라도 큐비트 제어과정에서 오류 가 발생할 가능성은 항상 존재한다. 실생활 난제를 해결하는 양자 알고리즘(예: 소인수분해, 데이터 검색, 시뮬레이션 등)은 크기(큐비트 수, 알고리즘 길이)가 매 우 크기 때문에, 해당 알고리즘을 높은 신뢰도로 실 행하기 위해서는 큐비트와 게이트의 신뢰도가 매우 높아야 한다. 현재까지 개발된 큐비트의 성능은 물 론이고, 향후 새로운 큐비트가 개발될지라도, 그 성 능은 현 양자 알고리즘을 직접적으로 수행할 수 있 을 정도(10-20~10-15 수준 오류율)가 되기는 어려울 것 으로 예상된다.

이러한 문제점을 해결 및 보완하기 위해서 고전 적으로 많이 사용되는 오류보정 방식을 양자정보에 적용하는 방법이 제안되었다[1]. 이는 1개의 물리 큐비트에 저장된 논리적 데이터를 N개의 물리 큐비 트(Codeword)에 분배하여, 임의의 큐비트에 오류가 발생하더라도, 나머지 큐비트가 가지고 있는 정보 들을 기반으로 원래의 데이터를 복원하는 방식으 로 양자오류보정(Quantum Error Correction)이라고 부 른다. 

양자오류보정은 부호화(Encoding) 과정을 통해서 1개의 물리 큐비트가 가지고 있던 양자정보 데이터 를 N개의 물리 큐비트가 나누어 가지게 되는데, 이 N개가 얽힌 물리 큐비트 묶음을 오류보정된 논리 큐비트(Error-Corrected Logical Qubit)라고 부른다(이하 ‘논리 큐비트’라고 함). 양자오류보정이 정확하게 동 작하게 되면, 논리 큐비트는 물리 큐비트가 가지는 결맞음 시간을 능가하는 논리적 결맞음 시간을 가 지게 된다. 즉, 양자정보 데이터를 물리 큐비트에 저 장하는 것보다 논리 큐비트에 저장하는 것이 더 오랜 시간 유지된다는 의미이다.
양자정보를 논리 큐비트에 저장하고 주기적으로 양자오류보정을 인가함으로써 임의의 오랜 시간 동 안 유지하는 것에 더해, 논리 큐비트에 저장된 양자 상태를 조작하기 위해 논리 큐비트 맞춤형 논리 게 이트를 구현할 수 있다. 그리고 논리 큐비트에 논리 게이트를 인가한 이후/또는 인가하는 중간에 양자 오류보정을 적용하여, 물리 게이트의 신뢰도를 능 가하는 논리 게이트 구현이 가능하고, 따라서 물리 큐비트/게이트 대비 고신뢰도의 논리 큐비트/게이트 기반 양자컴퓨팅이 가능하다. 그 결과 실생활 난 제를 풀어낼 수 있는 수준의 양자컴퓨팅이 가능해 진다. 

이러한 양자오류보정이 적용된 양자컴퓨팅을 결 함허용 양자컴퓨팅(FTQC: Fault-Tolerant Quantum Computing)이라고 부르는데, 이는 논리 큐비트로 연 산하는 양자컴퓨팅 기술로 모든 알고리즘에 활용할 수 있으며 빅데이터, 머신러닝 및 암호체계 분야 등 에 혁신적인 변화를 가져올 수 있다. 그러나, 세계적 으로 현재의 기술 수준이 높지 않아 기술 성숙이 더욱 요구되고 있다. 

저자
황용수       (Y. Hwang, yhwang@etri.re.kr)                      양자컴퓨팅연구실    선임연구원
김태완       (T.W. Kim, TaewanKim@etri.re.kr)          양자컴퓨팅연구실    선임연구원
백충헌       (C.H. Baek, CHBaek@etri.re.kr)                     양자컴퓨팅연구실    연구원
조성운       (S.U. Cho, nebula.cho@etri.re.kr)             양자컴퓨팅연구실    선임연구원
김홍석       (H.-S. Kim, hongseok@etri.re.kr)                양자컴퓨팅연구실    선임연구원
최병수       (B.-S. Choi, bschoi3@etri.re.kr)                      양자컴퓨팅연구실    선임연구원/실장

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