NISQ와 Fault-Tolerant 양자컴퓨터는 무엇이 다를까?

Description: 현재의 NISQ 양자컴퓨터와 미래의 Fault-Tolerant Quantum Computer가 무엇이 다른지 오류율, Logical Qubit, QEC, 실행 가능한 알고리즘 관점에서 비교합니다.

지금 우리가 사용하는 양자컴퓨터는 완성형일까?

IBM Quantum 같은 클라우드 서비스를 이용하면 지금도 실제 양자컴퓨터에서 양자회로를 실행할 수 있습니다.

그렇다면 양자컴퓨터는 이미 완성된 기술일까요?

여기에서 NISQ와 Fault-Tolerant Quantum Computing을 구분할 필요가 있습니다.

두 기술의 가장 큰 차이는 단순히 큐비트 숫자가 아닙니다.

오류를 어떻게 다루느냐가 핵심입니다.

NISQ란?

NISQ는 Noisy Intermediate-Scale Quantum의 약자입니다.

쉽게 말하면 일정 규모의 큐비트를 사용할 수 있지만 noise와 오류가 존재하고, 대규모의 완전한 양자오류정정을 적용하기 어려운 단계의 양자컴퓨터를 설명하기 위해 만들어진 표현입니다.

현재의 여러 QPU를 이해할 때 여전히 자주 사용되는 개념입니다.

NISQ에서는 양자회로가 너무 깊어지면 오류가 누적되기 쉽습니다.

따라서 상대적으로 짧은 회로와 하이브리드 알고리즘, error mitigation 등의 접근법이 많이 연구되어 왔습니다.

Fault-Tolerant Quantum Computer란?

Fault-Tolerant Quantum Computer는 오류가 존재하더라도 양자오류정정을 이용해 긴 계산을 안정적으로 수행할 수 있는 시스템을 목표로 합니다.

여기에서는 Physical Qubit보다 Logical Qubit이 중요한 단위가 됩니다.

여러 Physical Qubit을 오류정정 코드로 인코딩하고 오류를 반복적으로 검출하면서 logical information을 보호합니다.

비교	NISQ	Fault-Tolerant QC
핵심 Qubit	주로 Physical Qubit	Logical Qubit
Noise	계산에 직접 큰 영향	QEC로 적극 억제
Circuit Depth	제한적	장기적으로 훨씬 깊은 회로 목표
주요 접근	Error mitigation, hybrid algorithm	Quantum error correction
활용 단계	실험·연구·제한적 응용	대규모 알고리즘 실행 목표

Error Mitigation과 Error Correction은 다르다

두 용어가 비슷해 보이지만 구분할 필요가 있습니다.

Error Mitigation은 오류가 있는 하드웨어에서 여러 측정이나 보정 방법을 활용해 결과의 정확도를 개선하려는 방식입니다.

반면 Quantum Error Correction은 양자정보 자체를 여러 Physical Qubit에 인코딩하고 오류를 검출·보정하면서 Logical Qubit을 보호하는 방식입니다.

쉽게 비유하면 Error Mitigation은 현재 측정값을 최대한 보정하는 접근이고, QEC는 계산 구조 자체에 오류정정 체계를 넣는 접근에 더 가깝습니다.

왜 Logical Qubit이 그렇게 어려울까?

Logical Qubit 하나를 만들기 위해서는 여러 Physical Qubit이 필요합니다.

그뿐만이 아닙니다.

반복적인 syndrome measurement와 decoder, 빠른 classical processing, feedback 등이 함께 동작해야 합니다.

따라서 Fault-Tolerant Quantum Computing은 QPU만의 문제가 아닙니다.

QPU
Control electronics
Readout
Decoder
Classical computing
Software

가 모두 결합되어야 합니다.

Shor 알고리즘과의 관계

대규모 정수를 대상으로 하는 Shor 알고리즘처럼 매우 긴 계산이 필요한 알고리즘은 높은 오류율의 NISQ 장비에서 그대로 실행하기 어렵습니다.

많은 gate를 거치는 동안 오류가 누적되기 때문입니다.

따라서 Shor 같은 대규모 알고리즘이 실용적인 의미를 가지려면 충분한 품질의 Logical Qubit과 Fault-Tolerant operation이 중요합니다.

NISQ는 의미가 없는 단계일까?

그렇지는 않습니다.

NISQ 장비는 양자제어 기술을 발전시키고 새로운 알고리즘을 실험하고 실제 하드웨어의 noise 특성을 연구하는 데 중요한 역할을 합니다.

또한 하이브리드 양자-고전 알고리즘을 시험하고 QEC에 필요한 각종 기술을 개발하는 과정에서도 활용됩니다.

따라서

NISQ → 실패한 양자컴퓨터
Fault-Tolerant → 진짜 양자컴퓨터

처럼 단순히 나누기보다는 기술 발전의 서로 다른 단계로 이해하는 편이 좋습니다.

정리

현재 양자컴퓨터의 중요한 변화는 Physical Qubit의 숫자를 늘리는 경쟁에서 유용하고 안정적인 Logical Qubit을 구현하는 경쟁으로 점차 이동하고 있습니다.

앞으로 기업의 로드맵을 볼 때 '몇 큐비트인가'와 함께

Logical error rate
QEC 성능
Logical gate
Decoder 성능

등을 확인하면 기술의 실제 발전 방향을 훨씬 잘 이해할 수 있습니다.

양자오류정정 QEC란? Syndrome과 Logical Qubit으로 이해하기