Google 양자 AI, 슈퍼컴퓨터 성능 13,000배 뛰어넘는 ‘검증 가능한 양자 우위’ 달성
Google이 ‘검증 가능한 양자 우위’를 입증하며 양자 컴퓨팅 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 새로운 양자 알고리즘을 개발하여 슈퍼컴퓨터보다 13,000배 빠른 속도를 기록한 것입니다. 이는 양자 컴퓨터가 실제 응용 분야에 적용될 수 있는 알고리즘을 실행한 최초의 사례로, 앞으로 양자 컴퓨팅 기술이 다양한 산업 분야에 미칠 영향에 대한 기대감을 높이고 있습니다.
Google Willow 양자 칩과 Quantum Echoes 알고리즘
이번 성과는 Google의 105 큐비트 초전도 프로세서인 Willow 양자 칩을 기반으로 합니다. Willow는 Quantum Echoes라는 새로운 알고리즘을 실행했는데, 이는 기술적으로 '시간 순서 상관기(OTOC)'라는 양자 시스템에서 교란이 어떻게 확산되는지 측정하는 방법입니다. Google은 "이번이 슈퍼컴퓨터의 능력을 능가하는 검증 가능한 알고리즘을 양자 컴퓨터가 성공적으로 실행한 역사적인 첫 번째 사례"라고 밝혔습니다.
실용적인 양자 컴퓨팅으로의 전환
Google은 이번 성과가 추상적인 문제에 대한 계산 능력을 보여주는 이전의 양자 컴퓨팅 이정표와는 다르다고 강조합니다. "양자 검증 가능성은 결과가 동일한 수준의 다른 양자 컴퓨터에서 반복되어 동일한 결과를 얻을 수 있음을 의미하며, 이는 재현 가능한 양자 컴퓨팅과 실험적 시연을 구별하는 것입니다."라고 설명합니다. 이번 결과는 양자 컴퓨팅 기술이 단순히 이론적인 가능성을 넘어 실제 문제 해결에 기여할 수 있음을 시사합니다.
성능 비교 및 경쟁 구도
Google은 Willow에서 실행된 OTOC 알고리즘의 성능이 "세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터의 최고 수준의 기존 알고리즘"보다 13,000배 뛰어나다고 밝혔지만, 구체적인 슈퍼컴퓨터 모델을 명시하지는 않았습니다. 이번 발표는 양자 컴퓨팅 경쟁에서 Google이 앞서 나가고 있음을 보여줍니다. IBM은 2029년까지 200개의 논리 큐비트 시스템인 Starling을 목표로 하고 있으며, Microsoft는 2025년 2월에 위상 큐비트 기반의 Majorana 1 칩을 도입하여 단일 칩에서 백만 큐비트로 가는 길을 제시하고 있습니다.
Quantum Echoes 알고리즘 작동 방식 및 응용 분야
Quantum Echoes 알고리즘은 Willow의 양자 시스템을 통해 정밀하게 제작된 신호를 보내고, 하나의 큐비트를 교란시킨 다음, 신호의 진화를 정확하게 되돌립니다. Google은 "양자 에코는 양자 파동이 더 강해지도록 더해지는 현상인 건설적인 간섭에 의해 증폭되기 때문에 특별합니다. 이를 통해 측정이 매우 민감해집니다."라고 설명했습니다. 캘리포니아 대학교 버클리와의 협력 실험에서 연구자들은 핵자기 공명(NMR) 데이터를 사용하여 15개 및 28개 원자로 구성된 분자 구조를 분석했습니다.
제약, 의약품 및 재료 과학 분야의 활용 기대
Google은 "양자 컴퓨터의 결과가 전통적인 NMR 결과와 일치했으며, NMR에서 일반적으로 얻을 수 없는 정보를 밝혀냈습니다. 이는 우리 접근 방식의 중요한 검증입니다."라고 밝혔습니다. 또한 "양자 컴퓨팅으로 강화된 NMR은 신약 개발에서 잠재적인 약물이 표적에 어떻게 결합하는지 결정하거나, 폴리머, 배터리 구성 요소 또는 양자 비트를 구성하는 물질과 같은 새로운 물질의 분자 구조를 특성화하는 재료 과학에서 강력한 도구가 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.
기업을 위한 시사점
기업의 경우 고급 재료, 전기 자동차용 배터리 또는 차세대 반도체를 개발하는 조직에 대한 시사점이 큽니다. 그러나 Google은 상용 배포에 대한 구체적인 타임라인을 제시하지 않았습니다. Quantum Echoes 알고리즘은 제약, 의약품 개발 뿐만 아니라 미래의 소재 개발에도 활용될 가능성이 높습니다. 양자 컴퓨팅의 발전은 특정 산업에 국한되지 않고 다양한 분야에서 혁신을 가속화할 것으로 예상됩니다.
기술적 토대: Willow 칩의 성능
이러한 알고리즘적 성과는 Willow의 뛰어난 하드웨어 성능에 기반합니다. Google은 "전체 105 큐비트 어레이에서 단일 큐비트 게이트의 충실도는 99.97%, 얽힘 게이트는 99.88%, 판독은 99.5%이며, 모두 수십에서 수백 나노초의 비교할 수 없는 속도로 작동합니다."라고 밝혔습니다. 연구팀은 프로젝트 전반에 걸쳐 1조 번의 측정을 수행했습니다. Google은 "이 속도는 프로젝트 과정에서 1조 번의 측정을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이는 지금까지 모든 양자 컴퓨터에서 수행된 측정의 상당 부분을 차지합니다."라고 덧붙였습니다.
향후 과제와 로드맵
이번 발표는 Google이 2019년 양자 우위를 주장한 이후 6년 만에 나온 것입니다. 2019년 Google의 양자 우위 주장에 대해 IBM 연구원들은 해당 문제를 수천 년이 아닌 며칠 만에 기존 하드웨어에서 해결할 수 있다고 주장하며 논란이 일었습니다. Google은 2019년에 기존 컴퓨팅 능력을 뛰어넘는 양자 컴퓨팅을 달성했고, 2023년에는 양자 오류 수정을 시연했으며, 2024년에는 Willow를 통해 임계값 미만의 오류 수정을 보여주었습니다. Google은 "오늘 Quantum Echoes 알고리즘을 통해 최초의 검증 가능한 양자 우위를 시연한 것은 양자 컴퓨팅의 실제 응용 프로그램으로 나아가는 중요한 단계입니다."라고 밝혔습니다.
결론
Google의 이번 성과는 양자 컴퓨팅 기술이 실질적인 문제 해결에 기여할 수 있는 가능성을 보여주는 중요한 이정표입니다. 앞으로 Google을 비롯한 여러 기업들의 연구 개발을 통해 양자 컴퓨팅 기술이 더욱 발전하고, 다양한 산업 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.
