고전적 검증을 넘어 신뢰 가능한 양자 계산 체계 제시하며 양자 우위 입증, IBM·알고리드믹 양자컴퓨팅 발전의 중요한 성과 발표

IBM과 알고리드믹(Algorithmiq)은 오늘 양자컴퓨팅 발전의 중요한 성과를 발표했다. 양사는 이종 양자 물질 시뮬레이션을 통해 양자 우위를 공동 입증 1 했으며, 고전적 검증이 불가능한 환경에서도 양자 계산 결과에 대한 신뢰를 확보할 수 있는 새로운 검증 체계를 제시했다.

이번 연구 결과가 퀀텀 어드밴티지 트래커를 통해 공개된 지 8개월이 지난 현재까지도, 본 연구가 다룬 전체 문제 범위에서 신뢰할 수 있는 결과를 재현한 고전 계산 기법은 확인되지 않았다. 이는 양자컴퓨터가 주요 고전 계산 기법보다 더 빠르게, 더 적은 비용으로, 또는 더 높은 정확도로 신뢰할 수 있는 결과를 제공할 수 있음을 입증한 것으로, 오랫동안 양자컴퓨팅 분야의 핵심 이정표로 여겨져 온 성과다.

이종 양자 물질 내 정보 흐름 시뮬레이션

촉매와 배터리 전해질을 비롯한 실제 물질은 완벽한 결정 구조보다 불규칙한 구조, 물질 간 경계면(계면), 그리고 국소적인 특성 차이에 의해 그 성질이 결정된다. 이러한 요소들은 물질 내부에서 정보와 에너지, 입자가 이동하는 방식에 큰 영향을 미친다. 이에 알고리드믹 연구개발(R&D) 부문의 선임 과학자 세르게이 필리포프(Sergey Filippov)가 주도하고 공동창립자 겸 최고과학책임자(CSO) 기예르모 가르시아 페레즈(Guillermo García-Pérez)가 이끄는 연구팀은 서로 다른 국소적 특성을 지닌 영역 사이에서 정보가 전파되는 이종 양자 물질 모델을 개발했다. 연구진은 이 모델의 동역학을 현재의 양자 하드웨어에서는 구현할 수 있지만 최고 수준의 고전 시뮬레이션 기법으로는 처리하기 어려운 영역에 의도적으로 설정했다.

연구진은 IBM 퀀텀 헤론(Heron) 프로세서에서 해당 모델을 구현해 미세한 결합 구조를 자유롭게 조정하고 재구성할 수 있는 프로그래머블 양자 물질을 구현했다. 이를 통해 실제 물질에서와 같이 정보가 어디로 이동하고, 어디에 머물며, 어떤 방식으로 간섭하는지를 정밀하게 제어할 수 있었다. 

고전적 검증이 불가능한 환경에서 신뢰 확보

그동안 양자 계산 결과에 대한 신뢰는 고전 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 확보돼 왔다. 이를 위해 알고리드믹의 소프트웨어 엔지니어링 팀은 세계 최고 수준의 고전 시뮬레이션 연구진과 협력해 다양한 시뮬레이션 접근법을 검토했다. 그러나 서로 다른 고전 계산 기법들은 동일한 물리량에 대해서도 서로 다른 예측 결과를 내놓았다. 정확한 해답을 구할 수 없는 상황에서 과제는 단순히 고전 계산을 능가하는 것을 넘어 어떤 결과를 신뢰할 수 있는지 판단하는 데 있었다.

이에 연구진은 고전 계산의 한계를 넘어서는 시대를 위한 새로운 신뢰 가능한 양자 계산 체계를 개발했다. 이는 앞으로의 과학적 발견을 위한 검증 방법론의 청사진을 제시한다. 핵심 전략 가운데 하나는 장치에 존재하는 잡음을 정밀하게 모델링하고 이를 의도적으로 변화시키는 것이었다. 

연구진은 제어된 잡음 주입, 게이트 보정값 변경, 복수의 IBM 양자 프로세서 활용 등을 통해 양자 회로에 영향을 미치는 잡음을 조절했다. 그 결과 잡음 조건이 달라져도 양자 계산 결과는 안정적으로 유지됐으며, 이는 양자컴퓨터가 일관된 해답을 생성하고 있음을 보여주는 근거가 됐다. 또한 충분한 검증을 거친 잡음 모델을 바탕으로 불확실성을 정량화한 편향 없는 오류 완화 기법을 적용해, 독립적인 방식으로 결과를 검증할 수 있는 가능성도 입증했다.

양자 우위 검증 위한 오픈소스 공개

알고리드믹은 이날 분자 바닥상태 시뮬레이션을 위한 자사의 최고 수준 고전 계산 기법을 연구 커뮤니티에 공개하는 오픈소스 소프트웨어 패키지 ‘모노프롭(monoprop)’도 발표했다. 이 패키지에는 알고리드믹이 자사를 포함한 다양한 양자 우위 사례를 검증하고 평가하는 데 활용해 온 기법들이 담겨있다. 연구자들이 결과를 그대로 받아들이기보다 직접 검증하고 평가할 수 있도록 설계된 것이 특징이다.

주요 인용문

사브리나 마니스칼코(Sabrina Maniscalco) 알고리드믹 공동창립자 겸 최고경영자(CEO)는 “양자컴퓨팅과 같은 지수적 발전 특성을 가진 기술에서 공개적인 검증과 반론 과정을 거친 양자 우위 사례는 기술 발전의 가능성이 예상이 아닌 현실임을 보여주는 전환점”이라며 “양자 우위 입증은 단 한번의 사건이 아니라 지속적인 과정이다. 이번 결과는 지금까지 발표한 연구 가운데 가장 강력한 양자 우위 입증 사례라고 생각하며, 향후 양자컴퓨팅 발전 과정에서 중요한 이정표로 평가받게 될 것”이라고 말했다.

마테오 로시(Matteo Rossi) 알고리드믹 공동창립자 겸 최고기술책임자(CTO)는 “이번 IBM과의 협력은 1982년 리처드 파인만(Richard Feynman)이 처음 제시한 아이디어를 실현한 사례”라며 “동일한 물리 법칙에 기반한 디지털 양자 프로세서를 활용해 양자 물질을 시뮬레이션함으로써, 누구나 고전 계산 방식으로 검증에 도전할 수 있는 조정 가능한 물리 모델을 제공하게 됐다. 이는 매우 까다로운 검증 사례였으며, 공개 이후 8개월이 지난 현재까지도 이러한 도전을 견뎌내고 있다”고 말했다.

제이 감베타(Jay Gambetta) IBM 리서치 총괄사장 및 IBM 펠로우는 “양자컴퓨터는 이제 양자 우위의 핵심 조건을 입증할 수 있는 단계에 도달했다. 주요 고전 계산 기법을 능가하는 동시에 신뢰할 수 있는 결과를 생성할 수 있음을 보여주고 있다”며 “연구 커뮤니티가 퀀텀 어드밴티지 트래커를 통해 이러한 결과를 지속적으로 검증하고, 양자 계산 기법의 엄밀한 오차 범위를 확립해 나가길 기대한다. 이번 성과는 고전 컴퓨터만으로는 도달할 수 없는 규모로 양자컴퓨터를 확장해 나가는 과정에서 중요한 이정표이며, 물리학과 신소재, 생명과학 등 새로운 연구 영역을 개척하는 기반이 될 것”이라고 말했다.

추가 양자 우위 입증 사례 발표

오늘 IBM과 알고리드믹이 이번 성과를 발표한 데 이어, IBM 퀀텀 생태계 전반의 파트너들도 신뢰 가능한 계산을 기반으로 한 추가 양자 우위 입증 사례를 발표한다.