윌로우를 소개합니다: 우리의 최첨단 양자 칩

2024년 12월 9일
하르트무트 네벤 (Hartmut Neven)
구글 퀀텀 AI 창립자 겸 리더

오늘, 저는 윌로우(Willow)라는 우리의 최신 양자 칩을 발표하게 되어 기쁩니다. 윌로우는 여러 지표에서 최첨단 성능을 보여주며 두 가지 주요 업적을 가능하게 했습니다.

첫 번째는 윌로우가 큐비트를 더 많이 사용함에 따라 오류를 지수적으로 줄일 수 있다는 점입니다. 이는 양자 오류 수정에서 거의 30년 동안 지속적으로 도전해온 중요한 문제를 해결하는 데 큰 진전을 이룬 것입니다.
두 번째는 윌로우가 오늘날의 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 10^25년(즉, 10 섭틸리언 년)이 걸리는 작업을 5분 이내에 처리할 수 있다는 점입니다. 이는 우주의 나이를 훨씬 초과하는 수치입니다.

윌로우 칩은 10년 이상 지속된 여정의 중요한 진전을 나타냅니다. 구글 퀀텀 AI를 2012년에 창립하면서, 저는 양자 역학(현재 우리가 알고 있는 자연의 "운영 체제")을 활용하여 사회에 유익한 과학적 발견을 촉진하고, 유용한 응용 프로그램을 개발하며, 사회의 가장 큰 문제를 해결하는 유용하고 대규모의 양자 컴퓨터를 구축하겠다는 비전을 가지고 있었습니다. 구글 리서치의 일환으로, 우리 팀은 장기적인 로드맵을 세웠으며, 윌로우는 상업적으로 중요한 응용 프로그램으로 나아가는 길에서 큰 진전을 이루었습니다.


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지수적 양자 오류 수정 – 임계점 아래로!

양자 컴퓨팅에서 오류는 가장 큰 도전 과제 중 하나입니다. 큐비트는 양자 컴퓨터에서 계산의 기본 단위로 사용되지만, 환경과 빠르게 정보를 교환하려는 성향이 있어 계산을 완료하는 데 필요한 정보를 보호하기가 어렵습니다. 일반적으로 큐비트를 많이 사용할수록 오류가 더 많이 발생하고, 그 결과 시스템은 고전적인 방식으로 변해갑니다.

오늘 Nature에 발표된 결과에 따르면, 윌로우는 큐비트를 더 많이 사용할수록 오류를 더 많이 줄일 수 있으며, 시스템은 점점 더 양자화됩니다. 우리는 3x3 큐비트 배열에서 5x5 배열, 그리고 7x7 배열로 확장된 물리적 큐비트 배열을 테스트했습니다. 그리고 매번, 최신 양자 오류 수정 기술을 사용하여 오류율을 절반으로 줄일 수 있었습니다. 이는 지수적 오류율 감소를 달성한 것이며, 이는 큐비트 수를 늘리면서 오류를 줄일 수 있다는 의미입니다. 이러한 성과는 양자 오류 수정의 중요한 진전을 의미하는 "임계점 아래(below threshold)"로 알려져 있으며, 이는 1995년 피터 쇼어(Peter Shor)가 양자 오류 수정을 소개한 이후 계속해서 해결해야 했던 도전 과제였습니다.

이 결과는 몇 가지 중요한 "과학적 첫 번째"도 포함하고 있습니다. 예를 들어, 초전도 양자 시스템에서 실시간 오류 수정을 적용한 첫 번째 주요 사례로, 이는 유용한 계산을 위한 핵심 요소입니다. 오류를 빠르게 수정하지 않으면 계산이 완료되기 전에 오류로 인해 결과가 망가지기 때문입니다. 또한, 이는 "수익성 초과(beyond breakeven)" 데모로, 큐비트 배열의 수명이 개별 물리적 큐비트의 수명보다 길어지는 결과를 보여줍니다. 이는 오류 수정이 시스템을 전반적으로 개선하고 있음을 나타내는 확실한 신호입니다.

임계점 아래에서 이루어진 첫 번째 시스템으로, 현재까지 가장 설득력 있는 스케일 가능한 논리 큐비트 프로토타입입니다. 이는 유용하고 매우 큰 양자 컴퓨터를 구축할 수 있다는 강력한 신호입니다. 윌로우는 우리가 실제로 상용화할 수 있는 알고리즘을 실행하는 데 한 걸음 더 다가섰음을 의미합니다.


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오늘날의 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 10 섭틸리언 년이 걸릴 계산

윌로우의 성능을 측정하기 위해 우리는 랜덤 회로 샘플링(RCS) 벤치마크를 사용했습니다. 이 벤치마크는 구글 팀이 개척한 것으로, 현재 양자 컴퓨터가 할 수 있는 가장 고전적인 컴퓨터로는 불가능한 작업을 테스트합니다. RCS는 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 할 수 없는 일을 하는지를 확인하는 중요한 테스트입니다. 양자 컴퓨터를 구축하는 모든 팀은 RCS에서 고전 컴퓨터를 능가할 수 있는지 먼저 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 더 복잡한 양자 작업을 수행할 수 있을지 의문을 가질 수 있습니다.

윌로우는 이 벤치마크에서 단 5분 만에 계산을 완료했으며, 이는 오늘날의 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 10^25년(10 섭틸리언 년) 걸리는 작업입니다. 이 숫자는 10,000,000,000,000,000,000,000,000년입니다. 이 숫자는 물리학에서 알려진 시간의 규모를 초과하며, 우주의 나이도 훨씬 초과합니다. 이는 양자 컴퓨팅이 여러 평행 우주에서 일어난다고 볼 수 있는 가능성을 지지하며, 이는 다중우주 이론을 제안한 데이비드 도이치(David Deutsch)의 예측과 일치합니다.


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윌로우와 그 너머

윌로우는 구글의 새로운 최첨단 제조 시설에서 제작되었습니다. 이 시설은 전 세계에서 이와 같은 목적으로 구축된 몇 안 되는 시설 중 하나입니다. 양자 칩을 설계하고 제작할 때 시스템 엔지니어링은 핵심입니다. 칩의 모든 구성 요소는 잘 설계되어 통합되어야 하며, 하나의 구성 요소라도 뒤쳐지거나 제대로 작동하지 않으면 전체 시스템 성능이 저하됩니다. 따라서 시스템 성능을 극대화하는 것은 칩 아키텍처와 제작, 게이트 개발 및 보정의 모든 측면을 고려하는 데 중요합니다.

우리는 수량보다는 품질에 집중하고 있습니다. 큐비트 수를 단순히 늘리는 것만으로는 도움이 되지 않으며, 그 품질이 높지 않으면 소용이 없습니다. 윌로우는 105개의 큐비트를 갖추고 있으며, 양자 오류 수정과 랜덤 회로 샘플링이라는 두 가지 시스템 벤치마크에서 최고 성능을 기록했습니다. 이러한 알고리즘 벤치마크는 칩 성능을 측정하는 가장 좋은 방법입니다.


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윌로우와 그 이후의 도전 과제

이 분야의 다음 과제는 유용하고 고전적인 계산을 넘어선 첫 번째 계산을 오늘날의 양자 칩에서 수행하는 것입니다. 우리는 윌로우 세대의 칩들이 이 목표를 달성하는 데 도움을 줄 수 있다고 낙관하고 있습니다. 지금까지 두 가지 종류의 실험이 있었습니다. 하나는 고전 컴퓨터에 대한 성능을 측정하는 RCS 벤치마크이며, 다른 하나는 양자 시스템의 과학적 시뮬레이션입니다. 우리의 목표는 이 두 가지를 동시에 달성하는 것입니다. 즉, 고전 컴퓨터의 한계를 넘어서는 알고리즘을 수행하면서도 실제 세계에서 유용한 문제를 해결하는 것입니다.

양자 컴퓨팅에 대한 자세한 정보나 교육 자료는 구글의 Coursera 코스에서 확인하실 수 있습니다.


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