구글, 규모 커질수록 양자오류 줄어드는 양자컴 공개

구글이 양자컴퓨터 상용화를 위한 핵심 과제인 양자 오류를 수정할 수 있는 기술을 크게 향상시킨 최신 초전도 양자 칩 '윌로우(Wiliow)'를 공개했다. 큐비트가 많아질수록 오류가 기하급수적으로 줄어드는 수준에 처음으로 도달해 양자컴퓨터 상용화에 이정표를 세운 것으로 평가된다.

구글은 양자컴퓨터 정보 단위인 큐비트를 추가할수록 오류율을 기하급수적으로 줄이는 수준에 처음으로 도달한 양자 칩 윌로우를 발표하고 연구결과를 9일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다. 또 윌로우가 장착된 컴퓨터가 성능 테스트용 알고리즘에서 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 '프론티어'를 능가한 결과도 공개했다.

큐비트는 양자컴퓨터에서 쓰이는 정보의 단위다. 기존 컴퓨터가 정보를 0 또는 1인 비트(bit)로 표현하는 것과 달리 큐비트는 0~1 사이의 중첩된 값을 나타낼 수 있어 특정 연산에서 기존 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 성능을 낸다. 특히 변수가 많은 복잡한 계산에 강해 신물질 탐색이나 물류 최적화 등의 문제를 효과적으로 해결할 것으로 기대된다.

큐비트의 물리적 형태는 전자 회로나 이온, 원자 등 다양한 형태로 구현할 수 있다. 윌로우는 전기 저항이 없는 극저온 초전도 상태에서 전기 회로의 에너지 수준에 따라 0 또는 1로 정보를 양자화한 초전도 방식 양자 칩이다. 윌로우에는 큐비트 105개가 구현됐다.

초전도 큐비트는 외부 환경 변화에 매우 예민해 연산 과정에서 오류가 발생하기 쉽다는 점이 문제다. 오류를 수정하지 않으면 연산을 반복했을 때 결과의 신뢰도가 급격히 줄어 실용성이 떨어진다.

고전컴퓨터는 정보 단위인 비트(bit)의 복사본을 만들어 오류를 잡아내 수정한다. 큐비트는 상태를 측정하는 순간 핵심인 양자 중첩 상태가 붕괴돼 복제가 불가능하다. 큐비트를 복사하거나 측정하지 않고 큐비트의 상태를 수정하려면 주변의 다른 큐비트(논리 큐비트)와 서로 결과에 영향을 주는 '양자 얽힘' 상태를 만들어야 한다.

예를 들어 데이터 큐비트 1개에 논리 큐비트 2개를 얽힘 상태로 만들었다면 큐비트 3개가 모두 0이 되거나 1이 되도록 조절할 수 있다. 데이터 큐비트를 건드리지 않고도 논리 큐비트만을 측정해 데이터 큐비트에 오류가 발생했는지 확인하고 바로잡을 수 있다. 데이터를 여러 큐비트에 분산해 간접적으로 오류를 감시하는 것이다.

논리적 큐비트가 불안정하면 오류 해결 방식이 오히려 오류를 확산하는 결과를 낳는다는 문제가 있다. 큐비트의 배열 규모가 커질수록 논리적 큐비트의 상태가 안정적이다. 각 물리적 큐비트가 유지되는 시간보다 논리적 큐비트 집합이 유지되는 시간이 길어지는 '임계값(Threshold)'에 도달하면 오류 수정이 실제로 유효한 수준이 된다. 

연구팀은 격자 형태로 배열된 데이터 큐비트들이 9(3x3)개에서 25(5x5)개, 49(7x7)개로 점차 확장될 때마다 오류율이 절반씩 감소하도록 개선하는 데 성공했다.

이번 연구결과는 향후 등장할 대규모 양자컴퓨터에서 오류가 없는 양자 알고리즘을 실현할 가능성을 보여주는 이정표로 평가된다. 양자컴퓨터의 오류를 완전히 해결하려면 큐비트 수를 수십, 수백만 개까지 늘려야 할 것으로 예측된다.

윌로우는 성능 벤치마크 테스트에서 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 '프론티어' 기준으로 10셉틸리언(septillion)년이나 걸리는 문제를 5분 안에 풀 수 있다는 결과를 냈다. 셉틸리언은 10을 24번 제곱한 값으로 우주의 나이보다도 훨씬 길다.

다만 이 결과는 윌로우의 성능 테스트를 위해 짜인 제한된 알고리즘에서 테스트된 결과로 윌로우가 범용적인 문제를 해결하는 상황이라고 보기는 어렵다. 구글은 "내년에 기존 컴퓨터로 풀 수 없는 문제 해결 사례를 발표할 것"이라고 밝혔다.

동아사이언스 이병구 기자 2bottle9@donga.com

출처 : 구글, 규모 커질수록 양자오류 줄어드는 양자컴 공개 - 동아사이언스