양자컴 성능저하 억제하고 슈퍼컴 이기는 조건 찾았다

구글 연구원들, 네이처에 연구결과 발표

구글의 양자컴퓨터 '시카모어'에 사용되는 칩. 네이처 제공

구글 연구원들이 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터보다 우월한 성능을 보일 수 있는 조건을 새롭게 제시했다.

양자역학 원리를 이용해 정보를 처리하는 양자컴퓨터는 전자공학 원리를 사용하는 슈퍼컴퓨터보다 뛰어난 성능을 가질 수 있을 것이라 여겨지지만 아직까지 이러한 '양자우위'를 달성할 수 있는 조건은 불명확하다. 개발 초기 단계인 양자컴퓨터가 잠재력을 발휘할 수 있는 조건이 확실해지면 기술 개발에도 속도가 붙을 것으로 전망된다.

코스티안틴 케체지 구글연구소 연구원팀은 이 회사의 양자컴퓨터인 '시카모어'에게 특정한 조건이 갖춰지면 슈퍼컴퓨터가 시카모어의 작업물을 모방할 수 없다는 사실을 발견하고 연구 결과를 10일 국제학술지 '네이처'에 발표했다.

양자컴퓨터는 물리적으로 매우 작은 원자나 광자 등에서 나타나는 양자 현상을 정보처리에 직접 이용하는 컴퓨터다. 기존 슈퍼컴퓨터가 정보 기본단위를 0과 1로 표현하는 비트(bit)를 쓰는 반면 양자컴퓨터는 양자중첩 현상을 활용해 0과 1이 동시에 처리되는 큐비트(qubit)를 기본 단위로 사용한다. 이를 통해 대량의 병렬연산을 수행해 슈퍼컴퓨터가 해결할 수 없거나 시간이 오래 걸리는 문제들을 빠르게 해결할 수 있는 성능을 가질 수 있다.

시카모어는 계산을 수행하는 데 53개의 큐비트를 사용하는 양자컴퓨터다. 노이즈와 오류를 최소화하기 위해 절대 영도에 가까운 극저온에서 냉각된다. 2019년 시카모어는 임의의 값을 연속적으로 생성하는 양자 알고리즘인 무작위 회로 샘플링(RCS) 문제를 200초 만에 수행하기도 했다. 당시 가장 빠른 슈퍼컴퓨터였던 '서밋'이 1만 년 걸렸을 작업을 단시간에 수행하면서 양자 우위를 달성했다는 평가를 받았다.

연구팀은 시카모어가 무작위 회로 샘플링 작업을 실행하는 동안 '노이즈'가 심해지는 시점에 주목했다. 노이즈는 양자컴퓨터의 기본 계산 단위인 큐비트가 양자 상태를 유지하는 것을 방해하는 요소다. 노이즈가 심해지면 양자 역학의 기본적인 원리에 따라 물질의 불확정 상태가 늘어나게 되고 결국 성능 저하가 야기된다.

연구팀에 따르면 시카모어가 작업을 실행하는 동안 일정한 수준 이상의 노이즈가 발생하면 슈퍼컴퓨터가 작업을 방해하고 결과물을 모방할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 노이즈가 특정 임계값까지 낮아지면 시카모어의 계산 체계가 극도로 복잡해지며 슈퍼컴퓨터가 동일한 작업물을 내놓는 것이 불가능해졌다.

학계는 다만 이번 연구 결과가 양자컴퓨터가 곧 슈퍼컴퓨터를 대체할 것이란 의미는 아니라고 봤다. 시카모어는 이미지 파일을 저장하거나 이메일을 전송하는 것과 같은 슈퍼컴퓨터의 일반적인 작업은 수행할 수 없기 때문이다. 구글 연구팀 또한 "양자컴퓨터는 더 빠른 작업을 하는 컴퓨터가 아니라 다른 컴퓨터"라고 전했다. 이들은 양자컴퓨터가 화학 반응을 정확히 예측하는 작업 등 기존 슈퍼컴퓨터가 수행하는 것이 불가능한 작업을 수행하는 데 활용될 것이라 내다봤다.

<참고 자료>

- doi.org/10.1038/s41586-024-07998-6

[박정연 기자 hesse@donga.com]