양자컴퓨터 실용화의 핵심 걸림돌인 '잡음' 문제를 극복할 실마리가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 물리학과 이석형 교수 연구팀이 싱가포르 난양공과대학교(NTU)와 공동으로, 현실적 잡음 환경에서도 양자 촉매 기능을 안정적으로 유지할 수 있는 조건을 수학적으로 증명했다고 4일 밝혔다.

양자 촉매는 통상적으로 불가능한 양자 상태 변환을 가능케 하면서도 자신은 소모되지 않는 특수한 양자 자원이다. 이론적으로는 강력한 도구지만, 기존 방식은 입력 상태 준비 과정의 아주 작은 오차만으로도 촉매가 서서히 손상돼 반복 사용이 어렵다는 치명적 약점이 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하는 열쇠로 '촉매 채널(Catalytic Channel)'을 제시했다. 일반적인 양자 촉매가 완벽한 입력 상태를 전제로 설계된 것과 달리, 촉매 채널은 어떤 입력 상태가 들어오더라도 촉매가 정확히 원래 상태로 되돌아오도록 연산 방식 자체를 설계한 것이 핵심이다.

다만 연구팀은 촉매 채널에도 뚜렷한 한계가 있음을 함께 밝혔다. 얽힘·결맞음 같은 대표적 양자 자원에는 이 방식을 적용해도 추가적인 이득을 얻는 것이 원천적으로 불가능하다는 '불가능성 정리'가 도출됐다. 반면 특정 열역학적 조건에서는 잡음이 존재해도 촉매 채널이 안정적으로 기능할 수 있음을 확인했다.

이석형 교수는 "이번 연구는 양자컴퓨터 회로 최적화나 양자 열기관 설계 시 잡음에 강한 구조를 어떻게 구현할 것인지에 대한 실질적인 가이드라인을 제시했다는 데 의의가 있다"고 밝혔다.

이번 연구에는 이석형 교수와 NTU 넬리 응(Nelly H. Y. Ng) 교수가 교신저자, 손정락 박사가 제1저자로 참여했으며 프랑스 엑스-마르세유 대학교·일본 나고야 대학교 연구진도 함께했다. 한국연구재단과 정보통신기획평가원(IITP) 지원으로 수행된 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 지난달 6일자에 실렸다.