Physical Qubit과 Logical Qubit 차이, 왜 물리 큐비트가 많이 필요한가?

Physical Qubit과 Logical Qubit은 양자컴퓨터의 성능과 상용화를 이해할 때 반드시 구분해야 하는 개념입니다. 두 큐비트의 차이와 양자오류정정이 필요한 이유를 쉽게 설명합니다.

양자컴퓨터 기업의 발표를 보다 보면 Physical Qubit과 Logical Qubit이라는 표현이 자주 등장합니다.

두 숫자를 동일하게 보면 양자컴퓨터의 실제 성능을 잘못 이해할 수 있습니다.

Physical Qubit은 실제 하드웨어에 구현되어 있는 물리적인 큐비트이고, Logical Qubit은 여러 물리 큐비트를 오류정정 코드로 묶어 더 안정적인 정보를 표현하도록 만든 논리적인 큐비트입니다.

Physical Qubit이란?

Physical Qubit은 양자 프로세서에서 실제로 제어되는 물리 시스템입니다.

어떤 회사의 기술을 사용하는지에 따라 형태도 다릅니다.

초전도 양자컴퓨터에서는 Josephson junction 기반 회로가 될 수 있고, 이온트랩에서는 포획된 이온, 중성원자 방식에서는 포획된 원자가 Physical Qubit의 역할을 합니다.

문제는 이러한 실제 큐비트가 완벽하지 않다는 점입니다.

제어 신호에도 오차가 있고 양자 상태도 환경과 상호작용하면서 손실될 수 있습니다.

Logical Qubit이란?

Logical Qubit은 여러 Physical Qubit에 양자정보를 분산해 저장한 논리적 단위입니다.

개념적으로 보면 다음과 같습니다.

Physical Qubits
↓
Quantum Error Correction
↓
Logical Qubit
↓
Fault-Tolerant Quantum Algorithm

즉, Logical Qubit은 새로운 종류의 물리 부품을 의미하는 것이 아닙니다.

오류에 더 강하도록 인코딩된 양자정보의 단위입니다.

왜 하나의 Physical Qubit만 사용하면 안 될까?

고전 컴퓨터에서도 비트 오류가 발생할 수 있기 때문에 오류검출과 오류정정 기법을 사용합니다.

양자컴퓨터는 더 어렵습니다.

양자정보는 매우 민감하며 단순한 bit-flip뿐 아니라 phase 관련 오류도 고려해야 합니다.

또한 알 수 없는 양자 상태를 단순히 복사해 여분의 사본을 만들어 둘 수도 없습니다.

따라서 여러 Physical Qubit에 정보를 분산시키고 주변의 추가 큐비트를 이용해 오류 신호를 반복적으로 확인하는 방식이 필요합니다.

Physical Qubit 몇 개가 Logical Qubit 하나가 될까?

가장 많이 오해하는 부분입니다.

정답은 '정해져 있지 않다'입니다.

Physical error rate	물리 큐비트와 게이트의 오류 수준
QEC code	사용하는 오류정정 방식
Code distance	얼마나 강한 오류 보호가 필요한지
Algorithm	실행하려는 알고리즘 규모
Target error rate	요구되는 논리 오류율

따라서 '물리 큐비트 1,000개면 논리 큐비트 1개' 같은 숫자를 모든 양자컴퓨터에 공통적으로 적용하면 안 됩니다.

하드웨어 품질이 좋아지거나 더 효율적인 오류정정 코드가 개발되면 필요한 overhead도 달라질 수 있습니다.

핵심은 큐비트 숫자가 아니라 오류율

양자컴퓨터를 볼 때 단순히

100큐비트보다 1,000큐비트가 좋다

라고 판단하는 것은 위험합니다.

실제로 중요한 것은 큐비트 수뿐 아니라 게이트 정확도, coherence, 연결성, 측정 오류, 오류정정 성능 등입니다.

특히 Fault-Tolerant Quantum Computer에서는 Logical Qubit이 얼마나 낮은 오류율로 얼마나 많은 연산을 수행할 수 있는지가 중요해집니다.

Threshold가 중요한 이유

양자오류정정에는 중요한 개념이 있습니다.

Physical Qubit과 제어 연산의 오류가 충분히 낮은 수준에 도달해야 오류정정 코드의 규모를 키우는 것이 효과를 냅니다.

반대로 기본 오류율이 지나치게 높으면 큐비트를 더 추가하면서 새로운 오류원도 함께 증가할 수 있습니다.

따라서 Physical Qubit의 품질 개선과 Logical Qubit의 오류정정 기술은 서로 따로 볼 수 없습니다.

앞으로 양자컴퓨터 뉴스를 볼 때

앞으로 기업 발표에서 큐비트 숫자를 보면 다음 질문을 같이 확인하는 것이 좋습니다.

첫째, Physical Qubit인가 Logical Qubit인가?

둘째, 어떤 오류정정 코드를 사용했는가?

셋째, Physical error rate는 어느 정도인가?

넷째, Logical error rate가 실제로 낮아졌는가?

다섯째, 얼마나 많은 연산을 안정적으로 수행했는가?

이렇게 보면 단순한 큐비트 숫자 경쟁보다 실제 기술 수준을 훨씬 정확하게 파악할 수 있습니다.

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참고자료

IBM Quantum Learning – Foundations of Quantum Error Correction
Google Quantum AI – Quantum Error Correction Research