IQM Spark 기반 양자 진정 난수 생성기 실험 연구

초록

본 논문은 Wrocław 대학에 설치된 IQM Spark 5‑큐빗 초전도 양자 컴퓨터(Odra 5)를 이용해 5가지 유형, 총 105개의 변형을 가진 TRNG 회로를 실험하고, 각 회로당 1 백만 비트를 생성하여 NIST SP 800‑22와 SP 800‑90B 테스트로 품질을 평가한다. IBM 전용 연구와 달리 온‑프레미스 환경에서 다양한 게이트(Rx, Ry, CZ)와 회로 설계(단일‑큐빗, 병렬, GHZ, 바이어스 보정, 다중 측정)를 포괄적으로 비교한다.

상세 분석

이 연구는 현재 양자 기반 TRNG 분야에서 가장 흔히 사용되는 IBM 클라우드 QPU에 대한 의존성을 탈피하고, IQM의 독자적인 초전도 아키텍처를 최초로 실증한다는 점에서 의미가 크다. IQM Spark는 Rx, Ry, CZ와 같은 네이티브 게이트를 제공하며, 단일‑큐빗 게이트의 평균 오류율이 0.1 % 이하, 읽기 오류율이 3 % 미만이라는 높은 성능을 보인다. 이러한 하드웨어 특성을 바탕으로 저자들은 다음과 같은 5가지 회로 패밀리를 정의하였다.

1. C1 – 단일‑큐빗 회로: H, Rx(π/2), Ry(π/2) 중 하나를 적용해 0/1이 50 % 확률로 측정되도록 설계.
2. C2 – 병렬 다중‑큐빗 회로: 동일한 단일‑큐빗 게이트를 여러 큐빗에 동시에 적용해 샷당 비트 수를 늘린다.
3. C3 – GHZ/벨 상태 기반 회로: CZ를 이용해 얽힌 상태를 만든 뒤, 각 큐빗을 개별 측정해 상관관계를 활용한 바이어스 감소를 시도한다.
4. C4 – 바이어스 보정 회로: 측정 전후에 역회전(Rx, Ry) 또는 클래식 비트 플립을 적용해 시스템적 편향을 보정한다.
5. C5 – 다중‑측정 회로: 동일 회로를 여러 번 반복 실행하고, 중간 측정 결과를 재사용해 추가적인 엔트로피를 추출한다.

각 회로는 네이티브 게이트와 트랜스파일된 Hadamard 게이트 두 버전으로 구현돼, 동일 논리 연산이라도 물리적 구현 차이가 결과에 미치는 영향을 정량화한다. 실험은 동일한 물리적 QPU에서 연속적으로 수행돼, 시간에 따른 드리프트와 큐빗 간 오류 차이를 통제한다.

생성된 1 백만 비트 시퀀스는 NIST SP 800‑22의 15가지 기본 테스트와 그 변형(총 188개)와 NIST SP 800‑90B의 10가지 엔트로피 추정 테스트에 투입됐다. 결과는 p‑값 분포와 최소 엔트로피(min‑entropy) 두 축에서 평가되었다. 주요 관찰은 다음과 같다.

• 네이티브 Rx/Ry 회로는 트랜스파일된 Hadamard 대비 평균 p‑값이 0.15 정도 높았으며, 특히 Frequency와 Runs 테스트에서 일관된 통과율을 보였다.
• GHZ 기반 C3 회로는 얽힘으로 인한 상관관계가 존재함에도 불구하고, 측정 오류가 누적돼 일부 테스트(예: Serial, Approximate Entropy)에서 p‑값이 0.01에 근접하는 경우가 있었다.
• 바이어스 보정 C4는 원시 C1 회로 대비 최소 엔트로피가 0.02~0.04 상승했으며, 특히 비대칭적인 큐빗(읽기 오류 4 % 이상)에서 효과가 두드러졌다.
• 다중‑측정 C5는 동일 회로를 여러 번 실행해 얻은 비트들을 합치는 방식이 전체 엔트로피를 크게 향상시키지는 못했지만, 특정 테스트(예: Non‑Overlapping Template Matching)에서 변동성을 감소시켰다.

전체적으로 IQM Spark는 IBM QPU 대비 낮은 게이트 깊이와 높은 읽기 정확도로, 동일 회로에서도 평균 1~2 % 정도 더 높은 통과율을 기록했다. 그러나 여전히 NISQ 수준의 잡음이 존재해, 완전한 0.5/0.5 균등 분포를 얻기 위해서는 하드웨어‑레벨 보정과 포스트‑프로세싱(예: 베르누이 추출기) 조합이 필요함을 시사한다.

이 논문은 기존 연구가 가지고 있던 “소수의 회로, 짧은 시퀀스, 제한된 테스트”라는 한계를 극복하고, 회로 설계, 게이트 선택, 하드웨어 특성 간 상호작용을 체계적으로 분석함으로써 양자 TRNG 설계 가이드라인을 제시한다. 또한, 온‑프레미스 QPU를 활용한 장기 실험이 가능함을 보여주어, 향후 실용적인 양자 난수 서비스 구축에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.