새롭게 공개된 양자 칩 윌로우, 시카모어가 넘지 못한 오류 발생률 임계치 뛰어넘어
윌로우, 큐비트 늘어날수록 오류 발생률 대폭 감소
다만 양자 컴퓨터 실용화하기에는 아직 갈 길 멀어

[해외DS]는 해외 유수의 데이터 사이언스 전문지들에서 전하는 업계 전문가들의 의견을 담았습니다. 글로벌AI협회(GIAI)에서 번역본에 대해 콘텐츠 제휴가 진행 중입니다.

구글이 새로운 양자 칩 '윌로우(Willow)'를 공개했다. 윌로우는 기존 칩인 시카모어(Sycamore)보다 뛰어나며 양자 오류 정정(Quantum error correction)에 획기적인 발전을 이뤘다고 평가받고 있다. 다만 양자 컴퓨터가 초전도체, 암호 해독 등 현실에 적용되기까지는 아직 갈 길이 멀었다는 의견이 지배적이다.

양자 컴퓨터의 비결 '큐비트'

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 비교할 수 없을 정도로 계산 속도가 빠르다. 이는 기존 컴퓨터와 양자 컴퓨터에서 계산하는 기본 단위가 다르기 때문이다. 기존 컴퓨터의 기본 단위인 비트는 0 또는 1로 이진법의 구조를 따르지만, 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 중첩 상태에 있어 0과 1의 상태가 공존한다. 다시 말해 기존 컴퓨터는 하나의 비트로 한 가지 상태만 표현할 수 있으나, 양자 컴퓨터는 두 가지 상태를 표현할 수 있는 것이다.

이러한 큐비트의 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 병렬 처리에서 뛰어난 성능을 보이고 기존 컴퓨터보다 월등한 속도로 계산할 수 있는 것이다. 이에 따라 기존 컴퓨터로는 계산할 수 없는 복잡한 최적화 문제, 분자 시뮬레이션 등을 양자 컴퓨터로 해결할 수 있을 것이라는 기대가 나온다.

양자 컴퓨터, 기존 컴퓨터와 다른 독자적인 '오류 정정 기술' 필요해

하지만 양자 컴퓨터는 외부 영향에 취약해 잡음이나 오류가 쉽게 발생하는 단점이 있다. 대표적으로 양자 컴퓨터를 괴롭히는 오류로는 '비트플립(Bitflip)'이 있다. 비트플립은 기존 컴퓨터에서도 발생하는 고전적인 오류로 의도치 않게 비트가 바뀌는 현상을 말한다. 이를테면 0으로 저장돼야 할 정보가 비트가 바뀌어 1로 저장되는 오류다.

비트플립에 대해 기존 컴퓨터는 정보를 중복으로 저장해 오류에 대처한다. 예를 들어 사용자가 '1'이라는 정보를 컴퓨터에 보내면 컴퓨터는 '111'와 같이 정보를 중복으로 저장한다. 그러면 비트플립이 발생해 '101'이 되더라도 여전히 컴퓨터는 정보를 '1'로 받아들일 수 있다.

하지만 안타깝게도 정보를 복사하는 방식을 양자 컴퓨터에는 적용할 수 없다. 정보를 복사하는 것은 양자역학에 어긋나기 때문이다. 따라서 1990년대 물리학자들은 양자역학에 어긋나지 않는 독자적인 오류 정정 기술을 개발해야만 했다. 다니엘 고테스만(Daniel Gottesman) 메릴랜드대(University of Maryland) 양자물리학자는 "중복성은 있지만 복사본이 없는 방식으로 정보를 분산시켜야 한다"라며 오류 정정에 큰 틀을 제시했다.

최근에는 큐비트를 여러 개 엮어 '논리적 큐비트'를 만드는 방식이 주목받고 있다. 이는 기존 컴퓨터가 비트플립을 대처하는 방식과 유사한데, 정보가 논리적 큐비트에 분산돼 있으면 하나의 큐비트에 오류가 발생하더라도 그 정보를 보존할 수 있다.

고품질 큐비트 벽에 가로막힌 양자 컴퓨터, 그 벽을 깨나가는 윌로우

수십 년 동안 물리학자들은 오류 정정에 힘 써왔으나, 최근 들어서 고품질 큐비트가 충분하지 않아 한 발 앞으로 나아가지 못하고 있다. 하드웨어는 소프트웨어에 걸맞은 수준에 도달했지만, 이를 받쳐줄 큐비트가 없는 상황이다. 마이클 뉴먼(Michael Newman) 구글 양자 컴퓨팅 연구원은 "엔지니어링으로 해결할 수 있는 수준은 이제 넘어섰다"라며 큐비트가 다음 단계로 넘어갈 열쇠라고 했다.

이번에 구글이 공개한 윌로우가 좋은 평가를 받는 이유도 고품질 큐비트를 만들었기 때문이다. 2022년 구글은 시카모어에서 전반적으로 오류 발생률을 낮췄으나, 여전히 주요 임곗값을 넘지 못하는 상황이었다. 하지만 윌로우는 주요 임곗값을 가뿐히 넘었으며 △큐비트 개수 △큐비트 품질 △오류율 등 모든 측면에서 시카모어보다 뛰어났다. 윌로우의 큐비트는 105개로 시카모어(72개)보다 더 많으며, 구글은 제작 공정을 개선해 큐비트의 품질을 향상했다. 또한 윌로우의 논리적 큐비트는 개별 큐비트보다 수명이 두 배 이상 긴 데다가 오류 발생률이 1,000분의 1에 불과했다.

추가로 구글은 실험을 통해 큐비트가 많을수록 오류 발생률이 낮다는 사실을 보였다. 처음에는 3×3 격자의 큐비트로 구성한 다음 5×5 격자로 구성하고 마지막으로 7×7 격자로 구성했다. 그 결과 큐비트가 많을수록 오류 발생률은 급격히 떨어졌다. 해당 연구 결과는 양자 칩에 있는 큐비트 개수가 늘어나면 암호 해독 등 인류가 원했던 도전을 할 수 있다는 신호이기도 하다.

그러나 양자 컴퓨터의 눈부신 발전에도 불구하고 전문가들은 아직 갈 길이 멀었다는 반응을 보였다. 복잡한 최적화 문제를 풀거나 거대한 시뮬레이션을 시행하려면 오류 발생률을 약 100만분의 1 이하로 맞춰야 하며, 이러한 논리적 큐비트가 수백 개 필요하기 때문이다.

원문의 저자는 댄 가리스토(Dan Garisto) 과학 저널리스트입니다. 영어 원문은 Google's Quantum Computer Makes a Major Breakthrough in Error Correction | Scientific American에 게재돼 있습니다.