KAIST, 소형 리드버그 양자컴퓨터 개발...'최대독립집합 문제' 계산

리드버그 양자컴퓨터의 모식도
<리드버그 양자컴퓨터의 모식도>

한국과학기술원(KAIST)은 안재욱·문은국 물리학과 교수팀이 20큐비트급 리드버그 양자컴퓨터를 개발해 계산과학 난제인 '최대독립집합 문제'를 계산했다고 22일 밝혔다.

20큐비트급 소형 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 100만회 순차 처리해야 하는 계산량을 한 번에 처리할 수 있다.

소형 양자컴퓨터 분야 중요 이슈 중 하나가 디지털 컴퓨팅 알고리즘으로는 비효율적인 계산 문제(비결정적 다항)를 계산할 수 있는지다. 이번 성과는 우리 양자컴퓨팅 연구가 세계 양자컴퓨터 개발 경쟁에 진입했음을 뜻한다.

연구팀은 리드버그 원자들을 이용, 조합 최적화 문제를 계산하는 양자 단열 컴퓨팅 방식 양자컴퓨터를 개발했다. 리드버그 원자는 높은 에너지 상태 원자로, 지름이 일반 원자보다 1만배 큰 마이크로미터(㎛) 수준이다. 원자 간 상호작용은 일반 원자보다 2배 정도 강하다.

KAIST의 리드버그 양자컴퓨터는 초고진공 상태에 최대 126개 리드버그 원자를 임의로 배치해 양자 단열형 양자컴퓨팅을 수행한다. 기존 양자 단열형 양자컴퓨터는 큐비트가 고정돼 있다.

이번 연구에서는 꼭짓점이 최대 20개인 그래프의 최대독립집합 계산에 성공했다. 원거리 꼭짓점들을 잇는 리드버그 양자선 개념을 최초로 개발, 모든 꼭짓점을 임의로 연결하는 초기하학적 그래프를 계산할 수 있음을 보였다.

최대독립집합 문제는 주어진 그래프(꼭짓점과 간선 집합)에서 서로 연결되지 않는 꼭짓점들의 최대 집합을 알아내는 계산 문제다. 이 문제를 계산하게 되면 물류, 생산관리, 작업관리, 네트워크 디자인 등에서 혁명적인 경제가치를 창출하게 된다.

안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터의 활용 가능성을 보였다는 데 의의가 있다”며 “아직은 큐비트 개수가 충분하지 않지만, 다음 연구로 실제 활용이 가능한 꿈의 양자컴퓨터를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단 지원으로 수행됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com