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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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/
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