구글 퀀텀 AI가 ‘검증 가능한 양자 우위’를 입증했다. 새로운 알고리즘을 양자 하드웨어에서 실행해, 전통적인 슈퍼컴퓨터보다 1만 3,000배 빠른 성능을 보여준 것이다.

이번 성과는 양자컴퓨터가 실제 애플리케이션으로 검증할 수 있는 알고리즘을 실행한 첫 기록으로, 현재 고전 컴퓨팅 한계로 제약을 받고 있는 계산화학, 분자 모델링, 소재공학 분야의 기업용 연산을 가속화할 수 있다.

이번 성취의 중심에는 구글의 윌로 양자 칩이 있다. 이 칩은 105큐비트로 구성된 초전도 프로세서로, 구글이 ‘퀀텀 에코(Quantum Echoes)’라고 부르는 알고리즘을 실행했다. 기술적으로는 ‘시간 비정렬 상관 함수(OTOC, Out-of-Time-Order Correlator)’로, 양자 시스템 내에서 교란이 어떻게 퍼지는지를 측정하는 방법이다.

구글은 이번 성과를 발표하며, “양자컴퓨터가 검증 가능한 알고리즘을 성공적으로 실행해 슈퍼컴퓨터의 성능을 넘어선 것은 처음”이라고 강조했다. 이번 연구는 네이처(Nature)에도 게재됐다.

구글은 이전의 양자 연구가 추상적인 문제에서 계산 능력을 보여주는 데 그쳤던 것과 달리, “양자 검증 가능성이란 동일한 양자컴퓨터나 같은 수준의 다른 시스템에서 결과를 반복 실행해 같은 값을 얻을 수 있음을 의미한다”고 설명했다. 또, 실험적 시연이 아닌, 재현 가능한 양자 연산이라는 점에서 차별화된다고 덧붙였다.

구글은 1만 3,000배의 성능 우위에 대해 “세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나에서 실행된 최고 수준의 전통 알고리즘과 비교해, 윌로 칩에서 OTOC 알고리즘을 실행했을 때의 결과”라고 밝혔다. 다만 비교 기준이 된 슈퍼컴퓨터의 이름은 공개하지 않았다.

이번 발표로 구글은 치열해지는 양자 경쟁에서 한 발 앞서 나간 것으로 평가된다. IBM은 2029년까지 ‘스타링(Starling)’이라는 200논리 큐비트 시스템을 목표로 하고 있으며, 마이크로소프트는 2025년 2월 위상 큐비트를 기반으로 한 ‘마요라나 1(Majorana 1)’ 칩을 공개해 단일 칩에서 100만 큐비트로 확장할 수 있다고 밝혔다. 이온 트랩 기술을 사용하는 아이온큐(IonQ)는 2025년 3월 의료기기 시뮬레이션에서 슈퍼컴퓨터보다 12% 빠른 속도를 입증한 바 있다.

알고리즘의 작동 원리와 응용 분야

퀀텀 에코(Quantum Echoes) 알고리즘은 정밀하게 설계된 신호를 윌로우의 양자 시스템에 보내 단일 큐비트를 교란한 뒤, 신호의 진화를 역으로 되돌리는 방식으로 작동한다. 구글은 “정교하게 설계된 신호를 윌로우 칩의 양자 시스템(큐비트)에 주입해 하나의 큐비트를 교란한 다음, 그 신호의 진화를 정확히 역전시켜 되돌아오는 ‘에코’를 감지한다”라고 설명했다.

이어 “이 양자 에코는 보강 간섭(constructive interference) 현상에 의해 증폭되며, 양자파가 서로 합쳐져 더 강해지는 현상이다. 이 때문에 측정은 매우 높은 민감도를 가진다”라고 덧붙였다.

구글은 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스 연구팀과 함께 개념 증명 실험을 진행했다. 연구팀은 핵자기공명(NMR) 데이터를 활용해 각각 15개와 28개의 원자로 구성된 분자 구조를 분석했다. 구글은 “양자컴퓨터로 얻은 결과가 기존 NMR 결과와 일치했으며, 일반적인 NMR로는 확인할 수 없는 새로운 정보를 밝혀냈다. 이는 구글의 접근법을 검증하는 중요한 근거다”라고 밝혔다.

또한, “양자컴퓨팅이 결합된 NMR은 신약 개발 분야에서 약물이 표적 단백질에 결합하는 방식을 규명하거나, 재료과학에서 고분자, 배터리 구성 물질, 또는 양자 비트를 구성하는 재료와 같은 신소재의 분자 구조를 분석하는 데 강력한 도구가 될 수 있다”라고 전했다.

구글은 상용화 시점이나 구체적인 제품화 계획에 대해서는 언급하지 않았다.

기술적 기반

이번 알고리즘 성과는 윌로우 칩의 뛰어난 하드웨어 성능에 기반하고 있다. 구글은 “윌로우 칩의 105큐비트 전체 배열에서 단일 큐비트 게이트의 정확도는 99.97%, 얽힘 게이트(entangling gate)의 정확도는 99.88%, 판독 정확도는 99.5%이며, 모두 수십~수백 나노초 단위의 속도로 동작한다”라고 밝혔다.

연구팀은 프로젝트 전 과정에서 1조 회의 측정을 수행했다. 구글은 “이 속도 덕분에 이번 프로젝트 동안 총 1조 회의 측정을 수행할 수 있었으며, 이는 지금까지 전 세계 모든 양자컴퓨터에서 수행된 측정 중 상당한 비중을 차지한다”라고 강조했다.

이번 발표는 구글이 2019년에 ‘양자 우월성(Quantum Supremacy)’을 주장한 지 6년 만에 나온 성과다. 당시 IBM 연구팀은 구글의 계산 문제가 기존 하드웨어로도 며칠이면 해결할 수 있다고 주장해 논란이 일었지만, 이번 퀀텀 에코 실험에 대해서는 아직 이런 반론이 제기되지 않았다.

향후 로드맵과 남은 과제

이번 발표는 구글의 양자 로드맵에서 중요한 이정표가 된다. 구글은 2019년에 ‘초고전적 연산’을 달성하고 2023년에 ‘양자 오류 수정’을 입증했으며, 2024년에는 윌로우 프로세서로 ‘임계값 이하 오류 수정’을 구현했다.

구글은 발표문을 통해 “퀀텀 에코 알고리즘을 이용한 최초의 검증 가능한 양자 우위 시연은 양자컴퓨팅의 실제 응용으로 가는 중요한 단계”라며, “다음 목표는 장시간 유지 가능한 논리 큐비트의 구현”이라고 밝혔다.

하지만 여전히 상당한 공학적 난관이 존재한다. 구글은 “최종 목표에 도달하려면 시스템의 성능과 규모를 여러 자릿수 단위로 향상시켜야 하며, 수백만 개의 부품을 개발하고 안정화하는 과정이 필요하다”라고 덧붙였다.
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