양자 컴퓨터는 왜 에러에 민감한가? – Quantum Error Correction(QEC)이 등장한 이유

양자 컴퓨터라는 말을 들으면, 미래의 강력한 계산 기계라는 이미지가 떠오를지 모른다. 실제로 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 전혀 다른 방식으로 정보를 처리하며 특정 문제에서는 상상을 뛰어넘는 속도를 보여줄 가능성이 있다. 하지만 아직까지 실용화에 다다르지 못한 이유 중 하나는, 바로 에러에 대한 극도의 민감성 때문이다. 큐비트는 중첩, 얽힘, 위상 같은 미묘한 양자적 성질 위에 서 있는데 이들은 아주 작은 환경 변화에도 쉽게 영향을 받는다. 더군다나, 양자 상태는 복제도 어렵고 측정하면 원래 정보를 잃는다는 점 때문에 우리가 흔히 알고 있는 고전적 오류 수정 방식은 여기서 통하지 않는다. 이 글에서는 양자 컴퓨터가 왜 이렇게 취약한지, 그리고 이를 극복하기 위해 등장한 Quantum Error Correction(QEC) 개념이 어떤 의미를 가지는지를 함께 살펴보려 한다.

 

Quantum Error Correction(QEC)은 오류에 노출된 큐비트를 보호하는 헬멧 같은 존재다.

 

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1. 고전 컴퓨터와 다른 양자 컴퓨터의 취약성

고전 컴퓨터에서의 정보는 명확하다. 0 아니면 1, 이진수의 조합으로 이루어진 비트는 전기 신호의 유무로 구분되며 시스템 내부에서 비교적 안정적으로 처리된다. 고전적인 오류는 주로 하드웨어 결함이나 외부 간섭, 메모리 손상 등에 의해 발생하며 대부분 오류 수정 코드(예: 패리티 비트, 해밍 코드)를 통해 감지하고 수정할 수 있다.

 

반면, 양자 컴퓨터는 큐비트(Quantum Bit)라는 전혀 다른 논리 단위 위에 존재한다. 큐비트는 0과 1의 중첩 상태로 존재하며 복소수 계수로 이루어진 벡터로 표현된다. 문제는 이 큐비트가 지나치게 민감하다는 점이다. 중첩 상태, 얽힘 상태 등은 외부 세계의 관측이나 열적 잡음, 전자기 교란 등 매우 사소한 환경 변화에도 쉽게 무너진다.

 

양자 시스템은 고전 시스템보다 훨씬 정교하게 제어되어야 하며 작은 잡음도 큐비트의 상태를 왜곡시켜 계산 결과에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이런 이유로 양자 컴퓨터는 '본질적으로 오류에 취약한 시스템'이라고 불린다.

 

양자 컴퓨터의 기본 개념과 작동 원리에 대한 자세한 설명은 [양자컴퓨터란 무엇인가? 궁극의 계산 머신을 향한 여정] 글을 참고해보자.

 

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2. 양자 에러의 종류: 비트 플립, 위상 플립, 디코히런스

양자 에러는 고전적인 오류와는 형태도 다르고 더 복잡하다. 기본적으로 다음과 같은 세 가지 종류로 분류할 수 있다.

 

• 비트 플립(Bit Flip):큐비트의 상태가 |0⟩에서 |1⟩로, 또는 그 반대로 바뀌는 오류. 이는 고전 컴퓨터의 비트 반전과 유사하지만 큐비트는 복소수 계수로 이루어진 중첩 상태이기 때문에 상태 변화가 단순한 0↔1 전환이 아니다. 양자 상태는 블로흐 구면 위의 연속적인 위치로 표현되며 잡음에 의한 상태 변화는 특정 지점을 향해 '점프'하는 것이 아니라 불명확한 방향의 회전이나 미세한 왜곡으로 나타난다. 따라서 오류가 발생했을 때 어떤 경로를 통해 상태가 바뀌었는지를 정확히 특정하기 어렵다.
• 위상 플립(Phase Flip):큐비트의 상대적인 위상이 바뀌는 오류. 예를 들어, 상태 |+⟩ = (|0⟩ + |1⟩)/√2가 (|0⟩ - |1⟩)/√2로 바뀌는 식이다. 위상 정보는 양자 간섭(quantum interference)에 결정적인 영향을 미치기 때문에 위상 플립이 발생하면 계산 결과에서 특정한 상태를 증폭하거나 소멸시키는 간섭 효과가 파괴된다. 이는 양자 알고리즘이 의도한 확률 분포를 무너뜨려 결과의 정확도를 떨어뜨리게 된다.
• 디코히런스(Decoherence): 큐비트가 외부 환경과 상호작용하면서 중첩 또는 얽힘 상태가 무너지는 현상이다. 이는 양자 정보를 고전 정보로 붕괴시켜, 양자 계산이 유지될 수 없게 만든다. 얽힘 상태가 무너지는 디코히런스는 양자 컴퓨터의 근본적인 불안정성과도 연결된다. [디코히런스란 무엇인가?] 를 참고하면 이 현상의 정체를 더 명확히 이해할 수 있다.

 

[여기서 잠깐] 양자 간섭이란?

 

양자 간섭(quantum interference)은 서로 다른 경로를 따라 진화한 양자 상태들이 결합할 때 특정 상태가 증폭되거나 소멸되는 현상을 말한다. 이는 파동의 간섭과 유사하며, 양자 알고리즘의 핵심 원리 중 하나다. 예를 들어, 상태 |+⟩ = (|0⟩ + |1⟩)/√2와 |−⟩ = (|0⟩ − |1⟩)/√2는 측정 결과는 같을 수 있어도 위상 차이로 인해 간섭 결과가 달라진다. 양자 알고리즘은 이러한 위상 간섭을 정밀하게 조절하여 원하는 결과를 강화하고 불필요한 결과는 약화시키는 방식으로 작동한다. 하지만 위상 플립과 같은 오류가 발생하면 이러한 간섭 조건이 깨지게 되고 정답으로 수렴하도록 설계된 확률 분포가 무너져 계산 결과가 왜곡된다. 따라서 양자 간섭을 유지하는 것은 양자 계산의 정확도에 직접적인 영향을 미치며, 에러 보정에서도 이를 유지할 수 있는 방식이 반드시 필요하다. 이러한 위상 간섭은 큐비트가 가지는 스핀 특성과도 밀접한 관련이 있다. 자세한 배경은 [스핀과 통계 글] 에서 다룬 바 있다.

 

 

이 세 가지는 서로 독립적이지 않으며 실제 시스템에서는 복합적으로 나타난다. 예를 들어 외부 환경의 열적 잡음이 디코히런스를 유도하면서 위상 정보가 먼저 손실되고 이후 비트 정보까지 변형되는 식으로 연결될 수 있다. 즉, 하나의 잡음원이 여러 형태의 오류로 전이되는 경로가 열려 있으며, 이 때문에 양자 오류는 단일한 에러 이벤트가 아닌 다중 에러 과정의 복합적 결과물인 경우가 많다.

 

2.1 양자 에러가 발생하는 메커니즘

양자 시스템은 기본적으로 열린 계(open system)로 간주되며 환경과 완전히 고립되어 있을 수 없다. 이는 큐비트가 매우 민감한 중첩 및 위상 상태를 가지기 때문에 열적 잡음이나 전자기장처럼 극히 미세한 외부 간섭에도 영향을 받아 상태가 쉽게 붕괴되기 때문이다. 이때 환경과의 상호작용은 다음과 같은 방식으로 양자 에러를 유발한다:

 

• 열적 플럭츄에이션: 큐비트가 주변 환경의 열적 노이즈에 노출되면 에너지 상태가 뒤바뀌며 비트 플립이 발생할 수 있다.
• 전자기 잡음: 외부 전자기장에 의해 위상이 비틀리며 위상 플립이 유도된다. 양자 상태에 영향을 미치는 전자기 상호작용은 하이퍼파인 상호작용처럼 미세한 힘에서도 발생할 수 있다
• 불완전한 게이트 연산: 양자 연산 도중 정밀한 제어가 이뤄지지 않으면 상태가 의도한 것과 다른 방향으로 이동한다.
• 측정 에러: 측정 장비의 오차로 인해 상태 판독이 잘못되면 최종 결과에 직접적인 오류가 발생한다.

이러한 메커니즘들은 서로 얽혀 있으며 하나의 원인이 다른 형태의 에러로 확장되는 다중 경로 오류 모델을 구성한다. 이로 인해 양자 오류는 예측하기 어렵고 단순한 방식으로는 보정이 불가능하다.

 

이처럼 복합적인 에러 발생 양상을 이해하는 것이 QEC(Quantum Error Correction)를 설계하는 출발점이 된다. 오류가 단순하지 않기 때문에 그 보정 또한 매우 정교한 방식으로 이뤄져야 한다.

 

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3. 측정 이전에 무너지는 상태 – 양자 정보의 불안정성

양자 컴퓨터의 또 다른 특징은 측정 불가능성의 원리다. 큐비트를 측정하는 순간 그 상태는 확정된 하나의 값으로 '붕괴'하게 된다. 이는 계산 도중에 큐비트를 중간에 살펴보는 것이 불가능하다는 뜻이며 에러가 발생했는지 직접 확인하기가 매우 어렵다.

 

또한, 큐비트는 노이즈에 취약해 외부로부터 미세한 간섭만 받아도 원래 상태를 유지하지 못한다. 따라서 양자 컴퓨터에서는 계산 중간에 오류가 생겨도 그것이 눈에 보이지 않으며 최종 출력까지 영향을 미친다는 점이 치명적이다.

 

더 큰 문제는 이러한 오류가 계산 과정 중 발생했을 경우 이를 실시간으로 파악하거나 복구하기 어렵다는 데 있다. 큐비트 상태는 측정하지 않으면 확인할 수 없고 측정해버리면 상태가 무너져 계산이 중단되기 때문이다. 이 딜레마는 고전 컴퓨터에서는 없는 매우 독특한 양자적 한계다.

 

결국 양자 정보는 그 특성상 항상 붕괴의 위험을 안고 계산을 수행해야 하며, 이를 방지하기 위한 기술적 장치 없이는 신뢰 가능한 결과를 얻기 어렵다. 단지 "신호가 약하다"는 문제가 아니라 정보 자체가 사라질 수 있는 상황이기 때문이다.

 

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4. 왜 고전적인 오류 수정 방식은 쓸 수 없는가?

고전 컴퓨터에서는 비트를 복제하여 오류를 감지하고 수정하는 방식이 흔히 사용된다. 예를 들어 하나의 비트를 세 번 복제하여 다수결로 판단하는 방식(Triple Modular Redundancy)은 간단하면서도 효과적이다. 이처럼 정보를 여러 번 복제하면 일부 비트에 오류가 생기더라도 다수결을 통해 원래 정보를 되살릴 수 있다.

 

그러나 양자 컴퓨터에서는 이러한 방식이 원천적으로 불가능하다. 그 이유는 바로 양자 복제 불가능성 원리(No-Cloning Theorem) 때문이다. 이 원리는 양자역학의 근본적인 수학 구조에서 비롯된 것으로 다음과 같은 사실을 말해준다:

 

임의의 알 수 없는 양자 상태를 완벽하게 복제하는 것은 물리적으로 불가능하다. 즉, 우리가 어떤 큐비트 상태 ∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩를 가지고 있을 때 그 상태를 다른 큐비트에 똑같이 '복사'할 수 있는 보편적인 연산은 존재하지 않는다. 이는 단순한 기술적 제약이 아니라 양자 시스템의 선형성(linearity)과 유니터리 진화(unitary evolution)라는 법칙에서 수학적으로 증명된 결과다.

 

왜 복제가 안 되는가?

양자 상태는 '중첩' 상태를 포함하고 있고 그 계수 α,β는 관측 전에는 알 수 없다. 그런데 복제를 하려면 이 계수를 정확히 알아야 한다. 하지만 양자 측정은 상태를 '무너뜨리기' 때문에 계수를 알아내려는 시도 자체가 원래 상태를 파괴해버린다. 즉, 알 수 없는 상태를 알지 못한 채 복사하려면 복사 기계가 어떤 상태든 완벽히 복제할 수 있어야 하는데, 이는 수학적으로 존재하지 않음이 증명되었다. 그게 바로 No-Cloning Theorem이다.

 

복제 불가 → 오류 수정 불가?

이 원리는 양자 오류 수정에서 매우 치명적인 제약을 가져온다. 고전적 오류 수정은 비트들을 중복해서 저장하고 비교함으로써 오류를 추정한다. 하지만 큐비트는 그 자체를 복제해서 비교하거나 백업해두는 것이 불가능하다.

 

더욱이 양자 에러 보정이 어려운 또 다른 이유는 큐비트를 측정하는 순간 상태가 붕괴한다는 점이다. 오류가 났는지를 확인하기 위해 큐비트를 관측하면 큐비트는 원래의 중첩 상태에서 |0⟩ 또는 |1⟩로 확정되어 버리며 중첩 정보를 잃는다. 이는 계산의 연속성을 깨뜨리게 되며 곧바로 실패로 이어질 수 있다.

 

결국, 양자 오류 보정은 다음과 같은 역설적 상황에 놓인다. 오류는 알아야 고칠 수 있지만 오류를 확인하려는 순간 상태가 무너져 고칠 수 없게 된다.

 

이 딜레마를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 간접 측정 방식의 양자 오류 보정 코드이며이들은 복제 없이도 오류를 감지하고 수정하는 구조를 만들어내는 데 성공했다. 이 내용은 다음 섹션에서 다루게 된다.

 

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5. Quantum error correction 은 어떻게 작동하는가?

이러한 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 Quantum Error Correction(QEC, 양자 에러 보정) 개념이다. QEC는 오류가 발생하더라도 양자 상태 전체가 손상되지 않도록 논리 큐비트(logical qubit)를 여러 개의 물리 큐비트(physical qubit)로 인코딩하는 방식이다.

 

즉, 직접 상태를 복제하지 않고도 간접적인 측정(indirect measurement)과 보조 큐비트(syndrome qubit)를 이용해 오류를 감지하고 수정할 수 있는 구조를 설계하는 것이다. 여기서 중요한 점은 큐비트의 정보를 직접 측정하면 상태가 붕괴되기 때문에 정보를 지키면서도 오류를 감지할 수 있는 우회 경로가 필요하다는 점이다.

 

'간접적인 측정'이란 실제 정보가 담긴 큐비트를 직접 건드리지 않고 그 주변에 배치된 syndrome qubit들을 통해 오류의 흔적(syndrome)을 추론하는 방식을 말한다.

 

예를 들어, logical qubit을 구성하는 여러 physical qubit들이 특정한 수학적 관계(예: 페이저 관계, 패리티 조건 등)를 만족해야 하는데 이 조건이 깨졌는지를 syndrome qubit을 통해 확인한다. 이때 syndrome qubit은 실제 정보를 가진 큐비트와 상호작용하도록 설계되지만 측정 대상은 오직 syndrome qubit 자체다. 이로 인해 원래 정보가 담긴 logical qubit은 붕괴되지 않고 유지될 수 있으며 오류의 유형과 위치는 정교한 연산을 통해 '코드화된 형식'으로 판별된다.

 

이러한 QEC 방식은 양자 상태의 복제나 직접 측정을 피해가면서도 오류의 존재 여부를 확인하고 정정할 수 있는 정교한 양자적 우회 전략이라고 할 수 있다. 복제도 없고 직접 측정도 없지만, 정보를 보호하면서 오류를 추적하는 구조다.

 

이런 방식은 다음 글에서 구체적인 사례와 함께 다룰 예정이지만, 핵심 아이디어는 다음과 같다:

 

• 논리 큐비트(logical qubit)의 정보를 여러 개의 물리 큐비트(physical qubit)에 퍼뜨려서 일부 오류가 생기더라도 전체 정보를 복원할 수 있도록 구성함
• 큐비트 상태 자체는 측정하지 않되, 오류가 남긴 패턴만을 syndrome qubit을 통해 측정하고 분석함

 

이 구조는 단순히 큐비트 수만 늘리는 것이 아니라 오류의 종류(비트 플립, 위상 플립 등)에 따라 구분하고 각 오류를 구체적으로 식별 및 수정하는 수학적 로직이 포함된다. 따라서 Quantum Error Correction은 수학적으로 매우 정교한 알고리즘적 틀을 필요로 하며 물리적 구현에 있어서도 큐비트 수와 제어 정밀도가 함께 요구된다.

 

이러한 QEC 구조는 실제 하드웨어 기술, 예를 들어 이온트랩 양자 컴퓨터처럼 큐비트 제어 정밀도가 높은 플랫폼에서 구현되고 있다.

 

Google Quantum AI는 Quantum Error Correction의 작동 원리를 자세히 설명하고 있다.

 

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6. 양자 에러 보정의 탄생 배경이 가지는 의미

1990년대 중반까지, 많은 물리학자들은 양자 컴퓨터가 이론적으로는 가능하지만 현실적으로는 불가능하다고 보았다. 바로 이 에러 보정 문제 때문이었다. 그러나 1995년 피터 쇼어(Peter Shor)와 앤드루 스틴(Andrew Steane) 등이 각각 독립적으로 양자 오류 보정 코드를 제안하면서 상황은 완전히 바뀌었다. 이후 양자 오류 보정은 하나의 독립된 연구 분야로 자리잡았고 양자 컴퓨터의 실현 가능성을 크게 높인 기술적 전환점이 되었다.

 

양자 에러 보정은 단순히 기술적인 보완이 아니라 양자 정보의 근본적 성질을 이해하고 다루는 새로운 접근 방식이었다. 이 개념이 등장하면서 비로소 양자 컴퓨터는 이론을 넘어 실현 가능한 미래 기술로 진입할 수 있었다. IBM은 이러한 QEC 구조를 실제 하드웨어 기술에 적용하고 있으며, 관련 연구와 구현 사례를 IBM Quantum Error Correction 소개 페이지에서 자세히 확인할 수 있다.

 

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📌 핵심 요약 (Key Takeaways)

• 양자 컴퓨터는 중첩, 얽힘, 위상 등 민감한 양자 상태 위에 작동하므로 에러에 매우 취약하다.
• 양자 오류는 비트 플립, 위상 플립, 디코히런스 등 복합적으로 발생하며 서로 독립적이지 않다.
• 양자 상태는 복제 불가하고 측정 시 붕괴되기 때문에 고전적인 오류 수정 방식은 사용할 수 없다.
• Quantum Error Correction(QEC)은 논리 큐비트를 여러 물리 큐비트에 퍼뜨리고 보조 큐비트(syndrome qubit)를 통해 간접 측정함으로써 오류를 감지하고 정정하는 방식이다.
• QEC는 양자 컴퓨터 실현 가능성을 크게 높인 기술적 전환점이며 향후 양자 기술 발전의 핵심 기반이다.

 

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 양자 컴퓨터는 왜 고전 컴퓨터보다 에러에 더 취약한가요?

A. 큐비트는 중첩, 위상, 얽힘 같은 민감한 양자 상태를 기반으로 하며 아주 미세한 외부 간섭에도 쉽게 붕괴됩니다. 이 때문에 고전 비트보다 훨씬 불안정하게 작동합니다.

 

Q2. 고전 컴퓨터처럼 복제나 백업을 통해 오류를 방지할 수는 없나요?

A. 없습니다. 양자역학의 복제 불가능성 원리(No-Cloning Theorem)에 따라 알 수 없는 양자 상태는 복제할 수 없습니다. 따라서 고전 방식의 오류 수정은 사용할 수 없습니다.

 

Q3. Quantum Error Correction(QEC)은 구체적으로 어떤 방식인가요?

A. QEC는 하나의 논리 큐비트를 여러 물리 큐비트에 인코딩하고 오류를 직접 측정하지 않고 보조 큐비트(syndrome qubit)를 통해 간접적으로 추론합니다. 이를 통해 상태 붕괴 없이 오류를 수정할 수 있습니다.

 

Q4. QEC 없이 양자 컴퓨터를 작동시킬 수는 없나요?

A. 이론적으로는 가능하지만 신뢰할 수 있는 장시간 계산이나 스케일링은 어렵습니다. QEC는 양자 컴퓨터의 실용화를 위해 필수적인 기술입니다.

 

Q5. 양자 오류 보정은 앞으로 어디에 활용되나요?

A. 양자 암호, 양자 시뮬레이션, 고성능 계산, 양자 센서 등 다양한 분야에서 정확한 계산과 안정적인 정보 유지를 위해 필수적으로 사용될 전망입니다.