「양자 컴퓨터는 실현하지 않는다」라고 수학자가 생각하는 이유란?

「양자 컴퓨터는 실현하지 않는다」라고 수학자가 생각하는 이유란?

양자역학 원리를 사용해서 초고속인 계산을 실현한다고 여겨지고 있는 양자 컴퓨터입니다만, 실현에는 아직 과제가 있다고 합니다. 수학자 Gil Kalai씨는 「양자 컴퓨터는 실현하지 않는다」라고 주장하고 있어, Gil Kalai씨의 의견을 Quanta Magazine이 정리했습니다.

2002년2월, 예일 대학교에서 개최된 Michel Devoret씨가 양자 컴퓨터에 관한 강연에 Gil Kalai씨는 참가했습니다. Michel Devoret씨는 양자 컴퓨터 제일인자이었습니다만, 강연 타이틀이 「양자 컴퓨터:기적인가, 아니면 신기루인가?」이라고 하는 것이었기 때문에, Gil Kalai씨는 「양자 컴퓨터의 프로세스나 얻을 수 있는 결과에 대하여 회의적인 디스커션이 되는 것일 것이다」라고 생각하고 있었습니다. 그러나, 실제로는 양자 컴퓨터에 대하여 회의적인 의견은 적고, 유감스럽게 생각한 Gil Kalai씨는 양자 컴퓨터에 대하여 회의적인 스탠스로 연구를 시작했다고 합니다.

현재 Gil Kalai씨는 이스라엘 히브리 대학교에 근무하는 수학자로, 「양자 컴퓨터는 신기루에 지나치지 않는다」라고 하는 입장입니다. 양자 컴퓨터에 회의적인 연구자들은 「양자 컴퓨터의 내부에 존재하고, 핵이라고도 말할 수 있는 『큐비트』는 개발자들의 상정대로 일하지 않을 것이다」라고 주장하고 있습니다. 양자 컴퓨터 바로 그것이 만들 수 없다고 하는 연구자도 있습니다만, 「양자 컴퓨터는 만들 수 있지만, 현재 사용되고 있는 컴퓨터의 성능을 상회하는 것이 어렵다」라고 하는 연구자도 있다고 합니다.

Gil Kalai씨는 수학자적인 관점과 컴퓨터 과학자적인 관점에서 양자 컴퓨터에 대해서 검토하고, 양자 컴퓨터의 실현에는 「노이즈」를 해결해야한다고 결론에 이르렀습니다. 「노이즈」란 양자 컴퓨터가 작동하는 프로세스에 있어서 발생하는 에러를 가리키는 "단어"입니다. 양자 컴퓨터에 있어서는 큐비트를 포겐 상태로 외계에서의 간섭을 받지 않고 유지하는 것이 필요 불가결합니다만, 큐비트트는 외계와 상호작용에 의해 손상되기 쉽기 때문에, 외계에서의 간섭을 피할 수 없습니다.

IBM, Intel, Microsoft와 같은 대기업이 양자 컴퓨터에 다액인 출자를 하고, 중국 등에서는 국가적 프로젝트로서도 추진되고 있는 현상, Gil Kalai씨는 자기자신이 소수파인 것을 인정하고 있습니다. Gil Kalai씨는 처음부터, 양자 컴퓨터에 대하여 회의적인 스탠스를 가지고 있었던 것이 아닙니다. 2002년에 강연을 들은 후, 2005년부터 본격적으로 「양자 컴퓨터는 신기루에 지나치지 않고서는?」이라고 하는 과제에 열을 올리기 시작했다고 합니다.

「나는 양자 컴퓨터의 실현에 있어서, 『노이즈』 문제를 피해서는 통과하지 않는 개념이다라고 보고 있습니다」라고 Gil Kalai씨는 진술합니다. 양자 컴퓨터가 프로세스를 실행할 때에 어떤 1점에서 노이즈가 발생하면, 양자 컴퓨터 전체적으로 노이즈가 파급하고 양자 컴퓨터가 불량을 일으키는 원인이 됩니다.

양자 컴퓨터에 발생하는 노이즈를 해결해서 양자 컴퓨터를 운용하기 위해서는, 노이즈를 정정하는 「양자 오류 정정」이 필요 불가결이 됩니다. 양자 오류 정정은 어떤 큐비트를 이상적인 상태에 유지하기 위해서, 다른 수많은 큐비트를 부속해서 노이즈에 의한 잘못을 정정한다고 합니다. 그러나, 양자 오류 정정을 구현하기 위해서는, 하나가 이상적인 양자를 실현하기 위해서 몇이나 되는 「일정이하 노이즈를 유지」, 그나름대로 고품질한 큐비트가 몇백개 필요하게 됩니다.

Gil Kalai씨는 「양자 컴퓨터의 큐비트는 서로 영향을 받기 쉽기 때문에, 큐비트가 늘어나면 증가할 만큼 하나의 노이즈가 다른 큐비트에 영향을 끼치는 가능성이 높아진다」라고 합니다. 그리고, 푸리에 변환에 의해 양자 컴퓨터 계산에 있어서의 복잡한 파형을 단순한 요소에 분해하고, 큐비트 노이즈에 의한 양자 컴퓨터에 영향을 분석해 봤습니다.

그 결과, Gil Kalai씨는 노이즈에 의해 Fourier 변환후 파형에서 고주파의 부분이 제거되어, 노이즈가 발생하면 저 주파의 부분밖에 남지 않는 것을 밝혀 냈습니다. 「이것은 베토벤으로 말하면, 베이스는 들리지만 바이올린이나 비올라는 들리지 않는 것과 같습니다」라고 Gil Kalai씨는 진술합니다.

그리고, Gil Kalai씨는 노이즈를 제거하기 위한 양자 오류 정정을 양자 컴퓨터에 포함되게 하는 것도, 대단히 곤란하다라는 결론에 이르렀다고 합니다. 「노이즈가 있는 상태라도 양자 컴퓨터가 만들 수 없는 일은 없지만, 그것은 현존하는 컴퓨터보다도 저성능입니다」라고 합니다.

Gil Kalai씨는 「나의 주장을 『단순한 수학적 모델로부터 물리적 디바이스에 관한 반론에까지 넓히는 것은 무리가 있다』 『노이즈 경감은 공학적 문제이며, 자원을 부어 넣으면 해결가능하다』라고 비평하는 사람들도 있습니다. 그러나, 노이즈가 작은 양자 컴퓨터를 만들려고 하면, 필요한 양자 오류 정정이 지수함수적으로 증가하고, 영원히 따라잡을 수 없지요」라고 말합니다.

그리고, 「나는 자신의 이론에 자신을 가지고 있습니다만, 어디에선가 『틀리면 좋겠다』라고 생각할 것도 있습니다. 나는 단지, 결과가 증명되는 것을 기다리는 것 뿐입니다」라고 이야기했습니다.