"일반 컴퓨터 뛰어넘었다"…美 IBM 양자컴, 또 '기록 경신'

아르빈드 크리슈나(Arvind Krishna) IBM CEO(최고경영자)가 조 바이든 미국 대통령에게 양자컴퓨터를 소개하고 있는 모습. / 사진=네이처(Nature)

양자컴퓨터가 기존 컴퓨터 체계가 지닌 계산 능력을 뛰어넘었다는 연구 결과가 나왔다. 미래 기술로만 여겨지던 양자컴퓨터가 점차 현실로 다가오는 모양새다. 이번 연구는 양자컴퓨터 계산에 오류를 초래하는 '양자 노이즈'(quantum noise) 현상을 해결한 결과다.

미국 기업 IBM 왓슨연구소 연구팀은 14일(현지 시각) 국제학술지 네이처(Nature)에 양자컴퓨터의 오류를 완화해 기존 컴퓨터 시뮬레이션을 능가하는 성능을 발휘했다고 밝혔다. 이번 연구는 혁신성을 인정받아 네이처 표지논문으로 장식됐다.


양자컴퓨터는 양자 역학 원리로 작동하는 컴퓨터로 정보처리 단위가 큐비트(Qubit)다. 기존 컴퓨터의 정보처리 단위가 0과 1로만 표현하는 비트(Bit)였다면, 양자컴퓨터는 양자 중첩과 얽힘이란 특성에 따라 0과 1을 동시에 표현할 수 있다.

예컨대 기존 컴퓨터가 비트 3개를 이용해 표현할 수 있는 경우의 수는 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 등 8가지다. 한 번에 한 가지 경우의 수만 처리할 수 있다. 하지만 양자컴퓨터는 8가지 경우의 수를 동시에 나타낼 수 있다.

이 때문에 기존 컴퓨터로 100만년 걸릴 소인수분해를 양자컴퓨터는 하루 내외로 계산할 수 있다. 암호 해독과 신약 개발을 위한 단백질 구조, 로켓 기체 설계 등 다양한 분야에 쓰일 수 있다. 양자컴퓨터를 미래 '게임체인저' 기술로 부르는 이유다.

IBM 연구진의 양자 연구결과가 국제학술지 네이처 표지논문으로 장식됐다. / 사진=네이처(Nature)

양자 노이즈 현상 해결, 진정한 양자컴 시대 도래하나
IBM 연구팀은 양자컴퓨터 계산 오류를 초래하는 양자 노이즈를 해결했다. 양자컴퓨터가 효과적으로 계산을 수행하려면 큐비트가 오랫동안 양자 상태를 유지해야 한다. 하지만 양자 노이즈가 생기면 양자 역학의 기본 원리에 따라 물질의 불확정 상태가 늘어나 성능이 저하된다.

이에 IBM은 그동안 큐비트 수명을 늘리는 연구를 수행했다. 연구팀은 이번에 노이즈를 정밀 측정하고 기능을 완화시키는 데 성공했다. 양자 오류를 직접 정정하는 방식이 아닌 '오류 완화' 방식을 택한 것이다.

연구팀은 양자컴퓨터 목표 중 하나가 기존 컴퓨터의 계산 능력을 보완하는 일이라고 보고 연산을 포함한 시뮬레이션을 실시했다. 이를 위해 127개 초전도 큐비트로 구성된 IBM '이글' 양자 프로세서를 활용해 대규모 '얽힘' 상태를 생성했다. 이 조건에서 시뮬레이션을 돌렸다.

그 결과 기존 컴퓨터 시뮬레이션을 능가하는 성능을 발휘했다. 연구팀은 100큐비트 이상 대규모 양자 프로세서에서 기존 컴퓨터 계산 능력을 뛰어넘은 건 이번이 처음이라고 밝혔다. 연구팀은 이번 실험을 통해 양자컴퓨터가 2년 내 실제 응용 프로그램을 가동할 수 있다고 봤다.

연구팀은 "이번 연구는 기존 컴퓨터 방식을 뛰어넘은 결과로 양자컴퓨터가 불가능한 문제에 활용할 수 있는 과학적인 도구라는 사실을 증명한 것"이라며 "이제 양자컴퓨터를 과학적으로 활용하는 시대로 접어들었다고 볼 수 있다"고 밝혔다.

다만 양자 노이즈를 완화하는 방식 대신 양자 오류를 직접 수정하는 방식만이 기존 컴퓨터 체계를 능가할 수 있다는 회의적인 분석도 나온다. IBM은 이런 회의적 시각에도 불구하고 연내 1121큐비트급 양자컴퓨터 공개를 목표로 한다. 이어 2033년까지 오류를 완전히 수정한 10만 큐비트급 양자컴퓨터를 만들겠다는 계획이다.