10의 25제곱년 걸릴 계산 5분 만에…구글, 양자 칩 윌로우 발표

구글 양자 컴퓨팅 연구 부서인 구글 퀄컴 AI랩(Google Quantum AI Lab)이 105개 양자 비트를 탑재하고 양자 오류 수정에 대한 지수함수적 개선과 초고속 계산을 실현한 새로운 양자 칩인 윌로우(Willow)를 발표했다.

기존 컴퓨터는 0 또는 1 이진수로 계산을 수행한다. 하지만 양자 컴퓨터는 양자 중첩이라는 현상을 이용해 0과 1을 동시에 표현할 수 있는 양자 비트를 사용해 한 번에 많은 정보를 처리할 수 있고 고전 컴퓨터와는 비교할 수 없을 정도로 고속으로 계산할 수 있다.

하지만 이 양자 비트는 환경과 정보를 급속도로 교환하는 성질이 있어 외부로부터 다양한 영향을 받아 오류가 발생한다. 따라서 이론상으로는 계산을 폭발적으로 빠르게 수행할 수 있어도 실제로는 오류가 증가해 장시간 고정밀 계산을 할 수 없다는 문제가 있다. 이 오류를 어떻게 수정해 나갈 것인가가 양자 컴퓨팅에 있어 최대 과제라고 해도 과언이 아니다.

윌로우는 105개 양자 비트가 격자 상태로 배치되어 있으며 3×3 비트, 5×5 비트, 7×7 비트와 같이 정사각형 배열로 논리 양자 비트를 구성할 수 있게 됐다.

구글 퀄컴 AI랩이 학술지 네이처(Nature)에 발표한 논문에 따르면 양자 비트 배열을 3×3에서 시작해 5×5, 그리고 7×7로 확대해 나가는 과정에서 단계마다 오류율을 거의 절반으로 줄일 수 있었다고 한다.

기존 양자 시스템에서는 양자 비트 수를 늘릴수록 오류가 증가하고 시스템이 고전적인 거동에 가까워진다고 알려져 있다. 이게 1995년 벨 연구소 피터 쇼어가 제안한 양자 오류 임계값 이론이다. 하지만 단순히 오류율을 낮추는 것 뿐 아니라 거리를 2 증가시킬 때마다 오류율이 2.14배 감소한다는 지수함수적 개선을 보였다. 이는 더 많은 양자 비트를 추가해 더 고정밀한 양자 계산이 가능해진다는 걸 의미한다. 다시 말해 윌로우는 구글 첫 임계값 이하를 보인 양자 칩이 되는 것이다.

윌로우는 단일 양자 비트 게이트에서 0.035％±0.029％, 2개 양자 비트 게이트에서 0.33％±0.18％라는 낮은 오류율을 달성했다.

Introducing Willow, our new state-of-the-art quantum computing chip with a breakthrough that can reduce errors exponentially as we scale up using more qubits, cracking a 30-year challenge in the field. In benchmark tests, Willow solved a standard computation in <5 mins that would…

— Sundar Pichai (@sundarpichai) December 9, 2024

또 윌로우 양자 비트가 여기 상태를 유지할 수 있는 T1 시간은 68±13 마이크로초에 달해 이전 세대와 비교해 5배 개선을 실현했다고 한다. 추가로 1초당 90만 9,000회 오류 수정 사이클을 실행할 수 있는 능력을 갖고 있다. 양자 컴퓨팅에서 계산 완료 이전에 오류를 충분한 속도로 수정하지 못하면 결과가 파괴되므로 이 T1 시간과 오류 수정 속도는 중요한 의미를 지닌다고 할 수 있다.

구글 퀀텀 AI랩은 윌로우 성과가 이론적 가능성을 보여준 것 뿐 아니라 실제 초전도 양자 칩에서 입증됐다는 점에서 획기적이라고 주장한다. 대규모 장애 내성 있는 양자 컴퓨터 실현 가능성을 강하게 시사하는 중요한 실험적 증거가 될 것으로 기대하고 있다.

또 구글 퀀텀 AI랩은 윌로우의 또 다른 성과로 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 사용하면 10의 25제곱년이 걸리는 계산을 윌로우로는 5분 미만에 실행할 수 있었다고 보고했다. 다만 이 결론은 무작위 양자 회로 샘플링(RCS)이라는 벤치마크를 윌로우로 실행하고 그 샘플링 결과를 고전 컴퓨터로 재현하려 시도하는 절차를 통해 산출된 것이다.

구글 퀀텀 AI랩은 고도의 AI는 양자 컴퓨팅을 이용해 큰 혜택을 받을 것이라며 양자 컴퓨팅은 기존 머신으로는 접근할 수 없는 트레이닝 데이터 수집, 특정 학습 아키텍처 트레이닝과 최적화, 양자 효과가 중요한 시스템 모델링에 필수적이라고 말했다.

또 구글 순다 피차이 CEO는 윌로우는 신약 개발, 핵융합 에너지, 배터리 설계 등 분야에서 실용적인 애플리케이션을 갖춘 유용한 양자 컴퓨터를 구축하려는 노력에서 중요한 단계라고 생각한다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.