구글의 양자 컴퓨팅 시설에 있는 크라이오스타트(Cryostat). 출처: Google Quantum AI

구글의 연구진은 ‘임계점 이하(below threshold)’ 양자 연산을 최초로 시연할 수 있는 칩을 개발했다. 이는 실용적으로 유용할 정도로 높은 정확도를 갖춘 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 여정에서 중요한 이정표에 해당한다.

2023년 12월 9일자 Nature¹에 발표된 이번 실험은 적절한 오류 정정 기법을 활용하면, 양자 컴퓨터가 규모를 확장할 때 정확도가 점진적으로 향상될 수 있으며, 이 향상 속도가 중요한 임계값을 초과한다는 사실을 보여준다. 현재의 양자 컴퓨터는 대부분의 상업적∙과학적 응용에 있어 너무 작고 오류가 빈번하다.

구글, 양자 컴퓨터가 현존 최고 슈퍼컴퓨터를 능가하는 방법을 밝혀내다

“이것은 30년간의 목표였습니다.”라고 캘리포니아 마운틴뷰에 위치한 구글 본사에서 이번 성과를 발표한 기자회견에서 구글의 연구 과학자 마이클 뉴먼(Michael Newman)은 말했다. 구글 양자 컴퓨팅 부문의 최고운영책임자(COO)인 차리나 초우(Charina Chou)는 이번 성취가 “이 10년 말까지 상상 가능한 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 불가능한 과학적 발견을 양자 컴퓨터로 가능하게 할 것”임을 의미한다고 밝혔다. 뉴먼은 이어 “그것이 우리가 애초에 이 기술들을 개발하는 이유입니다.”라고 덧붙였다.

“이번 성과는 정말로 주목할 만한 기술적 돌파구를 보여줍니다.”라고 상하이에 있는 중국과학기술대학교의 양자 물리학자 차오-양 루(Chao-Yang Lu)는 말했다.

정교한 상태

양자 컴퓨터는 일반적인 컴퓨터 비트처럼 0 또는 1을 나타낼 수 있는 상태에 정보를 인코딩할 뿐만 아니라, 여러 개의 0과 1의 조합을 무한히 많은 방식으로 표현할 수도 있다. 그러나 구글의 양자 하드웨어 부문을 이끄는 물리학자 줄리안 켈리(Julian Kelly)는 이러한 양자 정보 상태가 매우 섬세하고 쉽게 깨지기 쉬운 것으로 악명 높다고 설명한다. “양자 컴퓨터가 유용한 계산을 수행하려면 양자 정보가 필요하고, 이 정보를 주변 환경으로부터, 그리고 우리가 조작하는 과정에서 스스로로부터도 보호해야 합니다.”라고 그는 말한다.

이러한 보호 없이는 양자 컴퓨팅 자체가 불가능하기 때문에, 이론학자들은 1995년부터 하나의 큐비트 정보를 여러 ‘물리적’ 큐비트에 분산시키는 기발한 방안을 개발하기 시작했다. 이렇게 형성된 ‘논리적 큐비트(logical qubit)’는 이론적으로 잡음에 강한 특성을 갖는다. 이 ‘양자 오류 정정(quantum error correction)’ 기법이 실제로 작동하려면, 하나의 정보를 여러 큐비트에 분산시킴으로써 오류율을 실질적으로 낮출 수 있음을 입증해야 했다.

최근 수년간 IBM과 아마존 AWS를 비롯한 여러 기업 및 학술 그룹들은 오류 정정이 정확도를 약간 개선할 수 있음을 보여주었다²³⁴. 구글 또한 2023년 초에 초전도 회로에 각 물리적 큐비트를 인코딩한 자사의 사이커모어(Sycamore) 양자 프로세서에서 49개 큐비트를 이용한 결과를 발표한 바 있다.

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구글의 새로운 칩 ‘Willow’는 이 기술을 확장·개선한 버전으로, 105개의 물리적 큐비트를 갖추고 있다. 이 칩은 2021년 구글이 캘리포니아 산타바버라의 양자 컴퓨팅 캠퍼스에 마련한 자체 반도체 제조 연구실에서 개발되었다.

구글 양자 컴퓨팅 부문을 이끄는 하트무트 네븐(Hartmut Neven)은 Willow의 성능을 첫 시연하는 과정에서, Willow가 세계에서 가장 큰 슈퍼컴퓨터로는 약 10^25년이 걸릴 것으로 추정되는 작업을 약 5분 만에 수행할 수 있음을 연구진이 보여주었다고 말한다. 이는 양자 컴퓨터가 고전적(클래식) 컴퓨터보다 우위에 있음을 입증하려는 경쟁에서 최근에 나온 의미 있는 진전이다.

또한 Willow 내에서 논리적 큐비트를 구현함으로써, 구글 팀은 논리적 큐비트의 규모를 한 단계씩 늘릴 때마다 오류율이 절반으로 줄어드는 것을 입증했다.

“이는 정말로 ‘임계점 이하 상태’를 확실하게 달성했다는 매우 인상적인 증거입니다.”라고 네덜란드 델프트 공과대학교(Delft University of Technology)의 양자 오류 정정 전문가 바르바라 테르할(Barbara Terhal)은 말한다. 매사추세츠주 케임브리지의 하버드 대학교 물리학자 미하일 루킨(Mikhail Lukin)은 “이 업적은 그 아이디어가 실제로 작동한다는 것을 명확히 보여줍니다.”라고 덧붙였다.

양자 컴퓨팅의 최종 목표

켈리는 이번 연구 결과가 이러한 정확도 개선 속도가 지속 가능함을 시사하며, 이를 바탕으로 미래의 양자 칩이 1천만 번의 연산 중 단 한 번의 오류 수준으로 도달할 수 있을 것이라고 말한다. 이 정도의 정확도는 양자 컴퓨터를 상업적으로 유용하게 만드는 데 일반적으로 필수적이라 여겨진다. “오류 정정은 양자 컴퓨팅의 최종 단계(endgame)입니다.”라고 그는 말한다. “이것이 바로 모든 이들이 상상해 온 양자 컴퓨터죠.”

구글은 이렇게 낮은 오류율을 달성하기 위해서는 하나의 논리적 큐비트를 약 1,000개의 물리적 큐비트로 구성해야 할 것으로 추정한다. 다만 오류 정정 기법이 더욱 발전하면 이 수를 약 200개의 큐비트까지 줄일 수도 있다고 뉴먼은 말한다. IBM 및 다른 연구소의 연구자들도 더 적은 수의 큐비트를 요구하는 방식으로 극적인 발전을 이뤄내고 있다². 이는 양자 컴퓨팅 분야가 결정적인 전환점에 도달했음을 보여준다고 루킨은 말한다. “정말로 흥미로운 시기입니다.”라고 그는 덧붙였다.

그럼에도 불구하고 테르할은 여전히 난관이 남아 있다고 말한다. 견고한 논리적 큐비트를 만드는 것 외에도, 연구자들은 다수의 논리적 큐비트를 서로 연결하여 양자 상태를 공유하고 교환할 수 있는 네트워크를 구축해야 한다.

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04028-3

‘A truly remarkable breakthrough’: Google’s new quantum chip achieves accuracy milestoneError-correction feat shows quantum computers will get more accurate as they grow larger.www.nature.com