양자 컴퓨터 회의론자들은 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐빗이 양자 컴퓨터의 동작에 필요한 복잡한 연산을 수행하는데 근본적으로 부적합하다고 본다.

                                        질 칼라이 (출처: Quanta)


이스라엘 예루살렘 헤브루 대학의 수학자 질 칼라이(Gil Kalai)는 대표적인 양자 컴퓨터 회의론자다.


미국 예일대에서 양자 컴퓨터 관련 세미나를 듣다가 문득 "왜 양자 컴퓨터의 미래가 밝기만 한 건가?"라는 생각을 가진 칼라이는 2005년에 이 문제에 대해서 다루기로 결심했다.


칼라이는 계산 복잡성 문제와 노이즈 문제를 연구하고 있다. 칼라이는 모든 물리 시스템은 노이즈를 가지고 있으며 큐빗은 극도로 민감한 '중첩' 성질 때문에 외부와의 상호작용을 통해 노이즈를 가질 수밖에 없다고 주장한다. 그리고 이 노이즈를 줄이는 것은 기술적인 문제가 아니며 근본적인 계산 이론이 노이즈의 최솟값을 결정한다고 말한다.


양자 컴퓨터 역시 주변의 신호에 영향을 받는다. 양자 컴퓨터의 매 처리 과정마다 큐비트는 노이즈에 오염될 가능성이 기존 비트보다 크다. 큐비트의 오염을 정화하기 위해서는 양자 오류 보정(Quantum Error Correction) 기술이 필요하다. 이를 위해서는 하나의 정교한 논리(Logic) 큐비트를 위한 100개에서 500개 정도의 물리(Physical) 큐비트가 있어야 한다. 양자 오류 보정 회로가 동작하기 위해서는 전체 노이즈가 어떤 특정 값 이하여야 한다.


칼라이의 연구팀은 2018년 2월 7일, 퀀타와의 인터뷰에서 노이즈를 수학적으로 모델링하여 그 특정 값을 계산했다고 밝혔다. 칼라이는 노이즈에 의한 오류가 서로 연관되어 있을 경우 어떻게 되는지를 살펴보기 위해 푸리에 해석을 사용했다. 그 결과, 오류의 파형이 저주파일 때는 시스템이 안정적이지만, 고주파로 갈 경우 전체 과정이 오류의 영향을 받게 된다는 것을 발견했다.

                             큐비트의 오염을 줄일 수 있는가?


많은 양자 컴퓨터 연구자들과 달리 칼라이는 이 결과가 노이즈가 어떤 수준 이하로 줄어들 수 없을 가능성을 암시한다고 본다. 양자 오류 보정에 필요한 노이즈 수준으로 낮출 수 없다는 것이다.


칼라이의 주장을 정리하자면, 양자 컴퓨터의 매 처리 과정마다 큐비트에 오류가 발생하고, 이를 보정할 큐비트가 추가로 필요하다. 이 과정이 잘 유지되기 위해서는 노이즈가 낮아야 하는데, 그 노이즈 수준을 맞추는 것이 애초에 불가능하다는 것이다. 그럼에도 양자 컴퓨터 연구자들은 지금도 계속 양자 컴퓨터를 연구 중이다. 칼라이는 이 시도가 실패할 것임을 확신하고 있으면서도 어떤 결과가 나올지 지켜보고 있다. 정말이지 양자 역학적이다.