IBM·케드마 신뢰 가능한 양자 계산, 상용 양자컴퓨팅 기반 양자 우위 입증

양자 오류 저감 소프트웨어 기업 케드마 퀀텀 컴퓨팅(Qedma Quantum Computing, 이하 ‘케드마’)과 IBM은 신뢰 가능한 오류 완화 기반 양자 계산을 통해 최첨단 고전 시뮬레이션의 한계를 넘어서는 물리 현상을 탐구할 수 있음을 입증한 연구 결과를 발표했다. 

연구진은 케드마의 고도화된 오류 완화 소프트웨어인 QESEM과 IBM 양자컴퓨터를 결합해 최대 74큐비트 규모 시스템에서 복잡하고 장시간 지속되는 양자 동역학을 관측했다. 이를 통해 여러 최신 고전 계산 방식으로는 일관되고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하지 못하는 영역에 도달했다.

이번 연구 결과는 상용으로 제공되는 하드웨어와 소프트웨어를 활용해 양자 우위를 달성한 첫 사례로, 오류 완화 기술을 적용한 첨단 양자컴퓨터가 신뢰 가능한 과학 연구 도구로 활용될 수 있음을 보여준다. 연구진은 이를 통해 더 우수한 초고속 광전자 소자, 빛으로 유도되는 초전도체를 비롯한 차세대 첨단 소재 연구의 새로운 가능성을 제시했다.

고전 시뮬레이션 한계 영역의 물리 현상 규명

이번 공동 연구는 2차원 플로케 이징(Floquet Ising) 모델의 미세한 진동 동역학을 분석했다. 플로케 이징 모델은 외부의 주기적인 자극에 따라 물질의 자기적 특성이 어떻게 변화하는지를 연구하는 데 활용된다. 이러한 진동 현상이 더 큰 규모의 시스템에서도 지속되는지 여부는 오랫동안 해결되지 않은 과제로 남아 있었다. 특히 관련 계산은 규모가 커질수록 기존 고전 컴퓨팅 방식으로 처리하기 어려워진다. 연구진은 IBM 퀀텀 헤론(IBM Quantum Heron) 프로세서를 기반으로 클라우드에서 제공되는 IBM 양자컴퓨터와 클라우드 기반 케드마의 양자 오류 억제 및 오류 완화 소프트웨어(QESEM)를 활용해 이러한 동역학을 높은 정밀도로 규명하는 데 성공했다.

최첨단 고전 계산 기법 뛰어넘어

연구진은 양자 계산 결과의 의미를 검증하기 위해 일본의 대표 연구기관인 이화학연구소(RIKEN)와 대규모 양자 회로 시뮬레이션 기술 기업 블루큐비트(BlueQubit)와 협력했다. 연구진은 근본적으로 서로 다른 계산 전략에 기반한 최신 고전 시뮬레이션 기법들과 양자 계산 결과를 비교 분석했다. 시스템 복잡성이 증가함에 따라 어떤 고전 시뮬레이션 방식도 양자 실험이 도달한 규모에서 일관된 결과를 제시하지 못했다. 

이는 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터인 후가쿠(Fugaku)를 활용한 경우에도 마찬가지였다. 반면 오류 완화 기술이 적용된 양자 계산 결과는 일관성을 유지했으며 장시간 지속되는 뚜렷한 진동 현상을 보여주었다. 연구진은 학계의 지속적인 검증을 지원하기 위해 이번 논문의 사전 공개에 앞서 양자 회로와 연구 결과를 ‘퀀텀 어드밴티지 트래커(Quantum Advantage Tracker)’에 공개했다.

검증 통해 신뢰성 확보

이번 연구의 핵심 특징은 광범위한 검증 절차에 있다. 연구진은 먼저 고전 계산과 비교가 가능한 범위에서 편향 없는 오류 완화 기법을 적용해 결과를 검증한 뒤, 고전 시뮬레이션의 정확도가 유지되지 않는 영역까지 분석 범위를 확장했다. 이어 보다 높은 확장성을 갖춘 오류 완화 기법을 앞서 검증된 결과와 비교해 평가한 뒤, 이를 기반으로 더 큰 규모의 시스템과 더 긴 시간 구간으로 연구를 확대했다.

또한 퀀티넘(Quantinuum)의 이온 포획 방식 양자컴퓨터를 포함한 서로 다른 양자 하드웨어 플랫폼에서도 독립적인 검증을 수행했다. 다양한 기술에서 일관된 결과가 관측됨에 따라 연구진은 측정된 물리 현상이 특정 장비 특성이나 오류 완화 과정에서 비롯된 것이 아니라, 시뮬레이션된 양자 시스템 자체의 특성을 반영한다는 추가적인 근거를 확보했다.

IBM 리서치 총괄사장 및 IBM 펠로우 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “IBM 양자컴퓨터는 광범위한 검증을 통해 결과에 대한 신뢰를 확보하는 동시에 최고의 고전 시뮬레이션 기법을 뛰어넘는 결과를 제공할 수 있는 수준에 도달했다”며 “앞으로 더 많은 연구 성과가 퀀텀 어드밴티지 트래커를 통해 검증되면서 양자 계산과 고전 계산의 경계에 대한 이해가 더욱 깊어지길 기대한다”고 말했다. 이어 “IBM 양자컴퓨터와 케드마의 첨단 오류 저감 기술을 결합함으로써 양자컴퓨팅을 지식의 경계를 확장하는 실질적인 연구 도구로 발전시키고 있다”고 덧붙였다.

케드마 공동창립자 겸 최고경영자(CEO) 아시프 시나이(Asif Sinay)는 “양자컴퓨팅은 수십 년 동안 고전 컴퓨터로는 불가능한 발견을 가능하게 할 것으로 기대돼 왔다”며 “이제 그 가능성이 현실이 되기 시작했다”고 말했다. 이어 “케드마의 소프트웨어를 통해 현재의 양자컴퓨터를 더욱 강력하고 신뢰성 있게 활용할 수 있도록 함으로써 양자컴퓨팅 산업이 실제 상용 활용 단계에 더욱 가까워지도록 지원하고 있다”고 밝혔다.

RIKEN 계산과학센터 양자-HPC 하이브리드 플랫폼 부문장 사토 미쓰히사(Mitsuhisa Sato)는 “양자컴퓨터는 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 과학적 발견의 새로운 가능성을 열기 시작했다”며 “이번 연구는 이화학연구소의 고급 고전 시뮬레이션 및 슈퍼컴퓨팅 역량과 IBM 양자컴퓨터에서 구동된 케드마의 오류 완화 소프트웨어를 결합해 양자컴퓨팅이 최신 고전 계산 기법의 한계를 넘어설 수 있음을 입증했다”고 말했다. 이어 “양자컴퓨팅과 고전 컴퓨팅이 함께 과학 발전을 이끄는 미래를 향한 중요한 진전”이라고 평가했다.

IBM 퀀텀 플랫폼의 키스킷 펑션 카탈로그(Qiskit Functions Catalog)를 통해 제공되는 QESEM은 현재 양자컴퓨터에서 발생하는 잡음의 영향을 줄이는 케드마의 오류 저감 소프트웨어다. 이 소프트웨어는 대규모 완전 오류 정정 양자컴퓨터의 등장을 기다리지 않고도 보다 크고 복잡한 양자 작업을 수행하면서 정확도가 높은 결과를 얻을 수 있도록 지원한다. QESEM은 신뢰할 수 있는 결과 추출을 보장하는 편향 없는 오류 완화 기법을 포함해 다양한 오류 완화 방식을 제공하며, 현재 전 세계 주요 기업과 대학, 연구기관에서 활용되고 있다.

추가 양자 우위 입증 사례 발표

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