양자컴퓨터 연산의 기본 단위인 큐비트는 매우 민감하여 약간의 잡음만 있어도 손상되어 오류를 발생시킨다. 양자컴퓨터의 본격적 구현은 이러한 양자 오류라는 결정적 장애물을 극복해야 가능하며, 이를 위해 학자들은 양자오류정정 방법들을 연구해 왔다. 양자오류정정 방법을 이용하면, 물리적 큐비트 하나의 오류율이 어떤 '한계오류율'를 넘지 않는다는 조건 아래 최종 계산 오류를 임의로 낮추는 것이 이론적으로 가능하다. 그러나 실제 구현 가능한 큐비트에서 발생하는 오류율과 알려진 양자오류정정 방법들의 한계오류율 사이에는 아직 상당한 차이가 있다. 또한 최종 계산 오류를 낮추기 위해서는 막대한 양의 보조 큐비트들을 자원으로 소모해야 한다는 문제가 발생한다. 일반적으로 높은 한계오류율과 낮은 자원소모량을 동시에 만족시키는 양자오류정정 방법을 찾는 것은 매우 어려운 문제로 알려져 있다. 본 연구에서는 연속 변수와 불연속 변수로 이루어진 이종(異種) 큐비트를 토폴로지컬 양자오류정정 코드에 접목하여 기존에 알려진 방법들에 비해 자원소모량은 획기적으로 낮추면서도 한계오류율을 높일 수 있는 방법을 제안하였다. 먼저 클러스터 상태라고 불리는 여러 이종 큐비트들이 얽혀 있는 양자 얽힘 상태를 만들고, 각각의 큐비트에 측정만을 통하여 오류정정을 포함한 양자컴퓨팅을 수행하는 ‘측정 기반 접근법’을 사용하였다. 새로 제안된 방법을 광학적 큐비트에 적용하여 기존에 알려진 모든 광학적 방법과 비교한 결과, 자원소모량과 한계오류율 모두에 있어서 기존의 모든 방법들을 능가하는 성능을 보였다.

그림: 효율적 오류정정과 양자컴퓨팅의 구현을 가능하게 하는 클러스터 양자 상태를 만드는 과정의 도해

Resource-Efficient Topological Fault-Tolerant Quantum Computation with Hybrid Entanglement of Light

S. Omkar, Y.S. Teo and H. Jeong

We propose an all-linear-optical scheme to ballistically generate a cluster state for measurement-based topological fault-tolerant quantum computation using hybrid photonic qubits entangled in a continuous-discrete domain. Availability of near-deterministic Bell-state measurements on hybrid qubits is exploited for this purpose. In the presence of photon losses, we show that our scheme leads to a significant enhancement in both tolerable photon-loss rate and resource overheads. We report a photon-loss threshold higher than those of known optical schemes under a reasonable error model. Furthermore, the resource overhead is estimated to be significantly less by multiple orders of magnitude compared to other reported values in the literature.

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.060501