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.