양자 오류 정정,Quantum error correction

양자 오류 정정, 量子誤謬訂正,

quantum error correction

양자 정보 시스템에서 사용하는 오류 정정(error correction) 기법.

양자 상태(quantum state)는 외부 환경과의 상호 작용으로 쉽게 그 정보가 변형되며,

양자 정보의 연산 과정(process)에 사용되는 연산자에서도 많은 오류가 발생한다.

일반적으로 양자 알고리즘은 알고리즘을 수행하는 장치가 오류가 없는 완벽한 시스템으로

구성된다고 가정하여 오류가 있는 경우 양자 알고리즘으로 정확한 값을 얻을 수 없다.

결함 허용 양자 컴퓨팅(fault tolerant quantum computing)은 양자 컴퓨터에 일정 수준의

오류가 존재하더라도 신뢰도가 높은 양자 정보 시스템을 구축하는 방법으로

양자 오류 정정 부호 기법을 사용하여 시스템을 구현한다.

양자 오류 정정(quantum error correction) 기법은 양자 정보 시스템에서 발생하는

오류로부터 양자 정보를 보호하는 기술이다. 양자 정보(quantum information)는

외부의 영향을 받아 양자 연산 과정에서 오류가 쉽게 발생할 수 있기 때문에 정확한 연산을 위해서는

양자 오류 정정 기법이 필수적으로 필요하다. 이미 기존 디지털 정보 시스템에 사용하는 다양한 오류 정정 기법이 있지만,

양자 정보와 양자 정보에 발생하는 오류의 특성들로 정보의 복사와 측정을 이용하는 기존 오류 정정 기법은

양자 오류 정정 기법으로 사용될 수 없다. 다음은 양자 정보와 양자 정보에 발생하는 오류의 특성이다.

- 양자 정보는 복제가 불가능하다(non-cloning theorem). 기존 오류 정정 부호에서는

오류가 발생할 경우에 대비하여 정보를 복사하여 같은 정보를 반복해서 보내는 경우가 있다.

하지만 양자 상태는 복제가 불가능하기 때문에 임의의 양자 정보(양자 상태)를 반복해서 보낼 수 없다.

- 양자 정보에서 발생하는 오류는 연속적인 값을 가진다. 기존 디지털 정보 시스템에서 발생하는 불연속 오류와는 특성이 다르다.

이러한 연속적인 특성으로 오류를 정확히 분석하기 위해서는 무한대의 자원이 필요하다.

- 양자 정보는 관측 시 붕괴된다. 기존 오류 정정 기법은 일반적으로 정보를 관측하고 관측한 결과로부터

오류의 유형을 분석하여 정보를 복원한다. 양자 정보는 측정으로 원래 상태가

새로운 상태로 변화되거나 붕괴되기 때문에 오류 정정을 위한 연산 과정 중 정보를 관측할 수 없다.

최초의 양자 오류 정정 기법은 1995년 피터 쇼어(Peter Shor)가 소개하였다. 쇼어는 논문에서

9개의 큐비트를 이용하여 단일 양자 오류로부터 1개의 양자 정보를 보호할 수 있는 기법을 제시하였다.

이후 칼더 뱅크(Robert Calderbank), 피터 쇼어(Peter Shor), 스틴(Andrew Steane),

다니엘 고태스만(Daniel Gottesman)이 양자 오류 정정의 부호화 연산자에 동일한 고유값(eigenvalue)를

값는 고유 상태(eigen state)를 이용하여 기존 선형 오류 정정 부호의 기법으로부터

양자 오류 정정 부호를 생성할 수 있는 선형 양자 오류 정정 부호 기법(linear quantum error correction)을 개발하였다.

양자 오류 정정 기법으로 비선형 양자 오류 정정 부호(non-linear quantum error correction),

서브 시스템 양자 오류 정정 부호(subsystem quantum error correction), 위상 양자 오류 정정 부호(topological quantum error correcting code),

표면 양자 오류 정정 부호(surface code), 얽힘 기반 양자 오류 정정 부호(entanglement-assisted quantum error correction) 등

다양한 기법의 양자 오류 정정 부호가 있다.

양자오류정정.JPG

출처:TTA 정보통신 용어사전

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