구글, 최첨단 양자 칩 Willow 공개

---

Google's new chip demonstrates error correction and performance that paves the way to a useful, large-scale quantum computer

구글의 새로운 칩은 유용한 대규모 양자 컴퓨터로 가는 길을 열어주는 오류 수정 및 성능을 보여줍니다.

---

사진출처) Google

 

구글은 지난 12월 9일에 최신 양자 칩인 Willow(윌로우)를 발표하였습니다. Willow는 여러 지표에 걸쳐 최첨단 성능을 제공하며, 두 가지 주요한 장점을 가지고 있습니다.

​

첫 번째는 더 많은 큐비트를 사용해 확장함에 따라 오류를 기하급수적으로 줄일 수 있다는 점입니다. 이는 양자 오류 수정 분야에서 거의 30년 동안 추구해 온 핵심 과제를 해결한 것입니다.

​

둘째, Willow는 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나로 10조(1025)년 걸리는 표준 벤치마크 계산을 5분 이내에 수행했는데, 이는 우주의 나이를 훨씬 뛰어넘는 수치입니다.

​

Willow 칩은 10여 년 전에 시작된 프로젝트로 2012년 구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI)를 설립할 당시의 비전은 오늘날 우리가 알고 있는 자연의 '운영 체제'인 양자 역학을 활용하여 과학적 발견을 발전시키고, 유용한 애플리케이션을 개발하고, 사회의 가장 큰 난제를 해결함으로써 사회에 도움이 되는 유용한 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 것이었습니다. 이제 구글의 리서치팀은 장기적인 로드맵을 세웠으며, Willow를 통해 상업적으로 활용 가능한 애플리케이션을 개발하는 데 큰 진전을 이루었다고 합니다.

 

사진출처) Google

 

양자 컴퓨터에서 발생하는 오류를 효과적으로 수정하려면 특정 한계를 넘지 않아야 합니다. 이 한계를 "임계값"이라고 부르며, 이 값을 넘지 않으면 오류 수정이 매우 빠르게 작동하여 문제를 해결할 수 있다는 뜻입니다.

​

양자 컴퓨터의 핵심 단위인 큐비트는 외부 환경과 쉽게 상호작용하여 정보를 주고받는 특성이 있습니다. 이로 인해 연산 중 중요한 정보를 유지하기가 어렵고, 오류가 생기기 쉽습니다. 특히, 큐비트의 개수가 많아질수록 오류가 더 자주 발생하며, 시스템이 점점 기존의 고전적인 컴퓨터처럼 작동하게 되는 문제가 있습니다.

​

구글의 연구팀은 큐비트를 늘릴수록 오류가 줄어들고 시스템 성능이 더 양자적으로 개선된다는 실험 결과를 네이처(Nature)라는 과학적으로 가장 권위있는 논문에 발표했습니다. 구체적으로, 큐비트를 3x3, 5x5, 7x7 크기의 격자로 확장하며 실험했으며, 이를 통해 오류율을 기하급수적으로 줄이는 데 성공했습니다. 이는 큐비트 수를 늘릴 때 발생하는 임계값 문제를 해결했다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

​

양자 오류 수정은 1995년 피터 쇼어가 개념을 제시한 이후 가장 어려운 과제 중 하나로 여겨졌습니다. 하지만 이번 연구는 초전도 양자 시스템에서 실시간 오류 수정을 시연한 최초 사례 중 하나로, 유용한 계산을 수행하기 위한 혁신을 보여줍니다. 이 시스템은 큐비트 배열의 안정성을 크게 높여 기존 큐비트의 한계를 넘어서며, 상용화 가능한 확장형 양자 컴퓨터로 한 발짝 더 나아가게 합니다.

​

Willow 시스템은 가장 빠른 슈퍼컴퓨터조차 해결하기 어려운 문제를 몇 분 만에 계산해냈습니다. 이를 위해 무작위 회로 샘플링(RCS)이라는 벤치마크를 활용했는데, 이는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 우월한 성능을 입증하는 표준 실험입니다. 예를 들어, 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 10조 년 이상 걸리는 계산을 Willow는 5분 만에 처리했습니다. 이 성과는 현재 물리학에서 다루는 시간 척도나 우주의 나이를 훌쩍 넘어서는 엄청난 결과입니다.

​

Willow의 연구는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 불가능한 문제를 해결할 수 있음을 보여주는 강력한 신호입니다. 이로써 상업적으로 유용한 초대형 양자 컴퓨터 개발에 한 걸음 더 가까워졌습니다. 아래 도표에서 볼 수 있듯이 Willow의 최신 결과는 지금까지의 최고 결과이지만, 앞으로도 계속 발전해 나갈 것입니다.

사진출처) Google

 

Willow가 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Frontier를 능가했다는 평가에는 보수적인 가정이 적용되어 있습니다. 예를 들어, Frontier가 보조 스토리지(하드 드라이브)에 대역폭 제한 없이 데이터를 무제한으로 접근할 수 있다는 비현실적이고 관대한 조건을 가정했지만, 이는 실제로는 불가능한 상황입니다.

​

물론, 2019년 Willow가 처음으로 "고전 컴퓨터를 뛰어넘는 컴퓨팅(Beyond Classic Computing)"을 발표한 이후에도 기존 슈퍼컴퓨터는 성능을 개선해왔습니다. 하지만, Willow와 같은 양자 프로세서는 훨씬 더 빠른 속도로 발전하고 있으며, 시간이 지날수록 그 격차는 더 크게 벌어질 것입니다. Willow는 확장성과 성능 면에서 기존 슈퍼컴퓨터를 점점 더 크게 앞설 가능성을 보여주고 있습니다.

 

사진출처) Google

 

양자 칩을 설계하고 만들 때 가장 중요한 것은 시스템 전체의 조화로운 설계입니다. 큐비트의 기본 동작(예: 단일 및 2큐비트 게이트, 초기화, 판독 등) 하나하나가 잘 설계되고 서로 완벽히 통합되어야 합니다. 만약 하나라도 성능이 낮거나 잘 작동하지 않으면 전체 시스템의 성능이 떨어질 수 있습니다. 그래서 Willow의 성능은 단순히 각 부분을 따로 측정한 결과가 아니라, 양자 컴퓨터 전체 시스템을 종합적으로 평가한 결과입니다.

​

단순히 큐비트 수가 많다고 좋은 시스템이 되는 건 아닙니다. 양뿐만 아니라 품질이 중요합니다. Willow는 105개의 고품질 큐비트를 갖추고 있으며, 양자 오류 수정과 무작위 회로 샘플링이라는 중요한 시스템 테스트에서 동급 최고의 성능을 보였습니다.

​

Willow의 성능을 보여주는 한 가지 지표는 T1 시간입니다. 이는 큐비트가 정보를 유지할 수 있는 시간으로, 현재 Willow는 100마이크로초(µs) 수준에 도달했습니다. 이는 이전 세대 칩에 비해 약 5배 개선된 놀라운 기록입니다. 양자 하드웨어를 평가하거나 다른 플랫폼과 비교하려면 핵심 사양을 살펴보는 것이 가장 좋은 방법입니다. Willow는 뛰어난 품질과 성능을 바탕으로 양자 컴퓨터의 미래를 한 단계 끌어올리고 있습니다.

 

사진출처) Google

 

Willow 시스템의 다음 목표는 양자 칩이 실제로 유용하고 상업적으로 의미 있는 계산을 수행할 수 있음을 보여주는 것입니다. 이 분야의 큰 도전 중 하나이지만, 우리는 Willow 세대의 칩이 이 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

​

현재 두 가지 유형의 실험이 진행되고 있습니다. 첫번째로 성능 평가는 기존 컴퓨터와 성능을 비교하는 RCS 벤치마크를 실행했지만, 이 벤치마크는 아직 실질적인 응용 프로그램과 직접 연결되지는 않았습니다. 두번째로 과학적 시뮬레이션은 양자 시스템에 대한 시뮬레이션을 통해 새로운 과학적 발견을 이끌어냈지만, 이는 기존 컴퓨터가 따라오기 어려운 수준에서만 가능합니다.

​

우리의 목표는 이 두 가지를 동시에 이루는 것입니다. 즉, 기존 컴퓨터가 처리할 수 없는 수준의 강력한 양자 알고리즘을 개발하면서도, 이를 실제로 상업적이고 유용한 문제에 적용할 수 있도록 하는 것입니다. Willow는 이런 도전을 해결하기 위한 중요한 첫걸음을 내딛고 있습니다.

사진출처) Google

 

양자 오류 수정의 기본 개념을 배우고, 앞으로의 문제를 해결할 수 있는 알고리즘을 개발하는 데 도움을 주고자, 연구자, 엔지니어, 개발자를 위한 새로운 강좌와 오픈 소스 소프트웨어, 교육 자료를 제공합니다. 이 자료를 활용해 함께 양자 컴퓨팅의 미래를 만들어갈 수 있습니다.

사진출처) Google

 

구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI)에서 양자 컴퓨팅을 연구하는 이유는 가장 혁신적인 기술이기도 하지만, AI와 양자 컴퓨팅 사이에는 두 개이상의 시너지(Synergy)를 얻을 수 있습니다. 양자 알고리즘은 RCS에서 볼 수 있듯이 기본적인 스케일링 법칙을 가지고 있습니다. AI에 필수적인 많은 기초적인 계산 작업에도 유사한 스케일링 이점이 있습니다.

​

따라서 양자 계산은 기존 머신에서 접근할 수 없는 학습 데이터를 수집하고, 특정 학습 아키텍처를 학습하고 최적화하며, 양자 효과가 중요한 시스템을 모델링하는 데 없어서는 안 될 기술입니다. 응용 분야로 새로운 약을 발견하고, 전기 자동차를 위한 보다 효율적인 배터리를 설계하고, 핵융합 및 새로운 에너지 대안을 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 미래의 획기적인 애플리케이션 중 다수는 기존 컴퓨터체계에서는 어려운 일이지만 양자 컴퓨팅으로는 충분히 가능성 있는 목표 입니다.

​

구글이 양자컴퓨터 연구에 몰두하는 이유는 인공지능 발전, 미래 기술 선점, 새로운 비즈니스 모델 창출 등 다양합니다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘어 인류의 삶을 변화시킬 잠재력을 지니고 있기 때문입니다.

---

※ 기사 내용 참조

​

[Google] Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip | By Hartmut Neven | Dec 09, 2024 | https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

---

https://pf.kakao.com/_UCxoxnT

웨어러블서치