논리 회로 기반 신뢰 가능한 양자 계산으로 양자 우위 입증, IBM·시카고대학교 양자 컴퓨팅 분야에서 양자 우위의 기본 기준 충족하는 실험 결과 발표

IBM과 시카고대학교(University of Chicago) 연구진은 오늘 양자 컴퓨팅 분야에서 양자 우위의 기본 기준을 충족하는 실험 결과를 발표했다. 이번 실험은 최신 고전 시뮬레이션 방식으로는 도달하기 어려운 계산을 수행하는 동시에, 해당 계산 결과를 신뢰할 수 있음을 입증했다. 

연구진은 새로운 논문 ‘높은 충실도를 검증할 수 있는 복잡한 양자 회로 샘플링(Sampling hard circuits with verifiably high fidelity)’에서, 인코딩된 양자 회로를 새롭게 구성함으로써 이 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있음을 보였다. 이를 통해 지금까지 수행된 논리 양자 컴퓨팅 실험 가운데 가장 큰 규모를 구현했다. 해당 회로와 결과는 퀀텀 어드밴티지 트래커(Quantum Advantage Tracker)에도 공개됐다. 

양자 결과에 대한 신뢰 구축 

연구자들은 수년간 양자컴퓨터가 고전 시스템보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는지 시험하기 위해 무작위 회로 샘플링(random circuit sampling RCS)이라는 기준을 사용해왔다. 쉽게 말해, RSC는 고전 컴퓨터가 효율적으로 재현할 수 없을 만큼 복잡한 패턴을 양자컴퓨터가 생성하도록 하는 방식이다. 다만 문제는 검증에 있었다. 문제가 어려워질수록 결과 검증 역시 어려워진다. 특히 양자컴퓨터 내부 동작에 대한 전제를 두지 않고는 계산 결과의 정확성을 입증하기가 점점 어려워지며, 결국 현실적으로 불가능해진다. 

IBM과 시카고대학교 연구진은 이번 실험에서 RCS를 대체할 수 있는 구조화된 방식을 통해 이러한 장애물을 해결했다. 연구진은 이 대안이 RCS와 동일한 난도 기준을 유지하면서도, 새롭게 도입한 구조를 활용해 계산 과정에서 오류를 감지할 수 있음을 입증했다. 

시카고대학교 빌 페퍼먼(Bill Fefferman) 부교수는 “실험적으로 양자 우위를 확고히 입증하는 데 있어 검증은 여전히 가장 큰 과제 중 하나”라며 “이번 실험은 잡음 환경에서도 고전적으로 계산하기 어려운 양자 상태가 얼마나 정확하게 구현됐는지를 보다 정밀하게 평가할 수 있는 기법을 개발한 것으로, 양자컴퓨터가 계산적으로 어려운 문제를 해결하고 있다는 신뢰를 높인다.”고 말했다. 

시카고대학교 페퍼먼 연구팀의 박사과정 학생 수믹 고시(Soumik Ghosh)는 “실험 검증을 강화하는 것을 넘어, 검증 기술의 발전은 차세대 양자컴퓨터의 실용적 활용 가능성을 여는 데 기여할 수 있다”고 말했다. 

세계적으로 알려진 최대 규모 수준의 오류 정정 실험 가운데 하나에서, 연구진은 70개 논리 큐비트를 실행했다. 연구진은 이 논리 큐비트들을 오류로부터 보호함으로써 2,415회의 논리 2큐비트 연산과 468회의 논리 ‘T 게이트’를 수행했다. 두 지표는 모두 양자 회로의 복잡도를 정량화하는 척도다. 회로가 인코딩됐기 때문에, 논리 계산은 물리 오류율보다 10배 낮은 유효 논리 오류율을 달성할 수 있었다. 이를 통해 많은 수의 게이트가 사용된 대규모 회로에서도 매우 높은 회로 충실도를 구현했다. 

IBM 리서치 총괄사장 및 IBM 펠로우 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “우리는 이제 분명히 양자 우위의 시대에 들어섰다”며 “이번에 우리는 고전 컴퓨터가 실질적으로 도달하기 어려운 양자 계산을 입증했으며, 동시에 그 계산이 얼마나 충실하게 실행됐는지에 대한 하한을 통계적 신뢰를 바탕으로 제시했다. 이번 이정표는 과학자, 개발자, 기업이 고전적으로 달성할 수 있는 범위를 훨씬 넘어서는 문제로 확장해 나가는 과정에서 양자컴퓨터를 신뢰할 수 있는 새로운 기반을 제공한다”고 말했다. 

연구진은 여러 최신 고전 시뮬레이션 방식이 문제를 처리하는 데 지나치게 긴 실행 시간을 필요로 하는 반면, IBM 양자컴퓨터는 동일한 작업을 15분 미만에 완료했음을 보였다. 

오류 정정과 계산 결과에 대한 신뢰는 양자 컴퓨팅을 확장해 나가기 위한 핵심 이정표다. 이번 연구는 그 여정에서 중요한 진전을 의미한다. 

추가 양자 우위 입증 사례 발표 

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