KAIST 물리학과 안재욱 교수 연구팀, 최대 141큐비트 양자컴퓨터를 활용해 70만 종류 이상 난제 계산 결과 및 계산 프로그램 공개

100 큐비트급 양자컴퓨터 데이터 ‘사이언티픽 데이터(Scientific data)’ 통해 무료로 공개, 향후 양자 컴퓨팅 관련 다양한 연구에 적용 기대

KAIST 물리학과 안재욱 교수

양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 활용해 기존의 컴퓨터로는 풀기 어려운 계산을 할 수 있는 컴퓨터다. 양자컴퓨터는 암호 해독, 배터리 소재 개발, 신약 개발 등 다양한 분야에서 그동안 풀지 못한 난제들을 해결할 미래 기술로 주목받고 있다.

KAIST 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 100큐비트급 양자컴퓨터로 조합 최적화 문제를 계산해 계산 결과 데이터베이스와 계산 프로그램을 공개했다고 13일 밝혔다.

조합 최적화 문제 중 하나인 최대 독립집합 문제(Maximum independent set problem)는 SNS상에서 가장 영향력 있는 인물을 찾는 문제, 전력망을 가장 효율적으로 분배하는 법을 찾는 문제 등 다양한 응용이 가능한 문제다. 지난 2023년 KAIST 연구진은 20큐비트급 리드버그 양자컴퓨터를 이용해 최대 독립집합 문제의 풀이를 시연한 바 있다.

일반적으로 100큐비트급 양자컴퓨터의 데이터를 얻기 위해서는 직접 양자컴퓨터를 제작하거나 클라우드 서비스 업체를 이용할 수밖에 없다. 이번에 KAIST 연구진이 공개한 데이터는 관련 분야 연구자뿐 아니라 양자 컴퓨터에 관심 있는 모든 사람이 무료로 데이터에 접근할 수 있게 되었다는 점에서 중요하다고 할 수 있다. 최대 141큐비트를 활용해 70만 종류 이상의 그래프 최적화를 계산했고, 양자컴퓨터의 계산 결과와 데이터분석 프로그램 일체를 공개했다.

연구를 주도한 안재욱 교수는 “이번 연구를 통해 100큐비트급 양자컴퓨터를 활용한 난제 계산 결과 및 계산 프로그램을 모두 공개하여 그동안 양자컴퓨터에 접근이 어려웠던 연구자를 비롯한 많은 사람이 양자 컴퓨팅 연구에 참여할 수 있을 것으로 기대된다. 아울러, 고성능 양자컴퓨터 개발에 필요한 잡음 분석에도 연구팀이 계산한 데이터베이스가 활용될 수 있을 것이라 생각한다”고 말했다.

KAIST 물리학과 김강흔, 박주영, 변우정 석박사통합과정, 김민혁 박사(現 고려대 물리학과 교수)가 참여한 해당 연구 결과는 국제 학술지 네이처(Nature) 자매지인 ‘사이언티픽 데이터(Scientific data)’1월 11권에 게재됐다. (논문명: Quantum computing dataset of maximum independent set problem on king lattice of over hundred Rydberg atoms).

한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

그림 1. 가로 18행, 세로 11열의 총 198개의 광 집게 사진이다. 각 광 집게에는 원자가 절반의 확률로 잡히며, 각 반복 측정마다 평균적으로 100개의 원자가 잡힌다. 원자들이 충분히 가깝게 붙어 있어 가장 가까운 원자와 그다음으로 가까운 대각 방향의 원자까지 연결된 킹 그래프를 이룬다. 오른쪽은 킹 그래프와 킹 그래프상에서 최대독립집합의 해를 나타낸 모식도이다.

□연구개요

1. 연구목적 

양자컴퓨터 간의 성능 비교와 데이터 분석 기반 시스템 연구를 위해, KAIST 리드버그 양자컴퓨터의 표준 실험 데이터를 측정하여 완전 공개한다.

2.연구내용

연구진은 원자를 가로 18행, 세로 11열의 총 198개의 격자 형태의 광 집게에 배치했다. 각 광 집게 위에서 원자들은 절반의 확률로 잡히며, 각 반복 측정마다 평균적으로 100개가량의 원자가 잡힌다. 원자가 무작위적으로 잡히기 때문에, 매 반복 측정마다 새로운 형태의 원자 배치가 만들어지고, 새로운 그래프의 실험이 가능하다는 것을 의미한다.

실험에 사용된 원자는 리드버그 원자로, 일반 원자보다 만 배 정도 큰 원자로 두 리드버그 원자는 가까이 있으면 쌍극자 간의 상호작용인 판데르발스 힘을 통해 ‘연결’됐다고 할 수 있다. 이번 연구에서는 광 집게 격자의 간격을 충분히 가깝게 만들어 가장 가까운 위치인 격자 상의 원자뿐만 아니라, 그다음으로 가까운 대각 상의 원자들도 연결될 수 있도록 하였다. 이렇게 쌍극자 상호작용으로 연결된 원자들은 체스판에서 왕의 말인 ‘킹’이 움직일 수 있는 경로인 킹 그래프(king graph)를 이룬다 (그림 1).

연구진은 킹 그래프에 원자를 배치한 후 최대독립집합 문제를 계산했다. 연구진은 단열 양자컴퓨팅(Adiabatic quantum computing) 방식을 이용했으며, 이는 기존의 컴퓨터에서의 디지털 계산 방법과는 다른 아날로그 계산 방법이다. 자동차의 핸들을 연속적으로 돌려서 자동차 바퀴의 방향을 조절하는 것처럼, 단열 양자컴퓨팅의 변수들을 연속적으로 변경하며 계산 결과를 구한다. 공개한 데이터베이스에는 다양한 단열 양자컴퓨팅 변수 하에서의 계산 결과가 공개돼 있다.

킹 그래프 상의 최대독립집합 문제는 일반적인 디지털 컴퓨터로는 효율적으로 푸는 것이 불가능함이 증명되어 있는 NP-문제(비결정적 다항 문제, nondeterministic polynomial time)이다. 따라서 양자 컴퓨터로 NP-문제를 효율적으로 풀 수 있는지는 활발히 연구되고 있는 중요한 이슈다. 연구진이 공개한 데이터베이스는 킹 그래프 상의 최대독립집합 문제에 대한 다양한 조건의 계산 결과들이 포함돼 있어 양자 컴퓨터의 효율성 문제에 대한 해답을 구하는 데 도움이 될 것으로 예상된다.

3. 기대효과

향후 고성능 양자컴퓨터 개발에 필요한 잡음 분석에도 연구팀이 계산한 데이터베이스가 활용될 수 있다. 양자컴퓨터는 일반적인 실험에 비해 주변 환경과 잡음에 민감하며, 리드버그 양자 컴퓨터 역시 초고진공, 초저온 상태에서 계산을 수행하나, 여전히 많은 잡음이 존재한다. 연구팀의 데이터베이스는 잡음이 있는 환경에서 양자컴퓨팅 결과들을 담고 있으므로 잡음이 컴퓨팅에 끼치는 영향에 관한 연구에도 이번 계산 데이터베이스가 활용될 것으로 기대된다.

KAIST 홍보실 제공