논문요약: 구글 퀀텀에서 출판한 이번 논문은 초전도 양자 회로에서 양자 우위를 보여줄 수 있는 새로운 방법으로 시간차 상관함수(OTOC,Out-of-Time-Order Correlator) 측정 기법을 활용했다. 많은 큐빗으로 구성된 양자 회로에서는 시간이 흐를수록 동역학적 정보가 뒤섞이는(scrambling) 경향이 있어 나중에는 상세한 동역학 정보를 얻기 어렵다. 반면 OTOC 측정은 오랜 시간이 지나도 다체 양자계의 정보를 그대로 보존하는 성질이 있다는 점이 이론적으로 알려져 있었다. 이번 구글 실험에서는 이런 특성을 가진 OTOC 측정을 초전도 양자 회로에서 성공적으로 수행했고, 그 결과 오랜 시간이 지난 뒤에도 양자계에 숨은 질서를 측정을 통해 찾아낼 수 있다는 점을 보여주었다. 기존의 잘 알려진 OTOC을 뛰어넘는 고차 OTOC이란 양을 도입하고 이를 측정하는 데도 성공하면서 고차 OTOC이 양자 동역학에 대해 상당히 많은 정보를 담아낼 수 있다는 점을 보여주기도 했다. 어떤 주어진 법칙에 따라 진화하는 양자계를 초전도 양자 회로에 인위적으로 만든 뒤 이 양자계에 대한 고차 OTOC 측정하였고, 그 측정 결과를 이용한 기계 학습을 진행해서 본래 양자계의 동역학을 지배하는 작동 원리(이를 해밀토니안이라고 부른다)가 무엇인지 역추정하는 데도 성공했다. 이를 통해 양자 기계 학습의 한 종류인 ‘해밀토니안 학습’이 가능하다는 점도 증명해보였다.
의의: 이번 구글이 양자 회로에서 측정해 얻은 OTOC 결과를 일반 컴퓨터를 이용한 전산 모사 방법으로 재현하기는 대단히 어렵다. 즉 이번 실험은 양자 우월성을 보인 셈이다. 그동안 구글이나 IBM이 양자 우월성을 보이기 위해 사용했던 방법 외에도 이번에 도입한 OTOC 측정이 양자 우월성을 증명하는 새로운 방법으로 활용될 수 있다는 점을 시사한다. 구글은 자사의 양자 컴퓨터 성능 개선 양상을 이렇게 과학적 발견이란 형태로 대중에게 공개하는 모습을 보여왔다. 국내에서는 표준과학연구소에서 20큐빗짜리 초전도 양자 회로를 만드는 데 최근 성공했다. 양자 회로는 첨단 양자 기술의 집약체일 뿐 아니라 첨단 과학 탐구의 도구로도 자리잡고 있다.
hanjemme@gmail.com
권석준 성균관대 화학공학부 교수
*2025.10.22.
이번에 네이처지에 공개된 구글 양자컴퓨터 연구팀이 업데이트한 결과는 지난 2024년 말, 구글에서 공개한 105 물리 큐빗 규모의 양자컴퓨터 윌로우 칩 기반의 시스템이 더욱 정밀하고 오류 강건성이 확보된 연산을 수행할 수 있다는 중요한 마일스톤을 찍었다는 것에 의미를 둘 수 있다. 특히 이번 연구 결과는 구글이나 IBM 같은 회사들이 그간 경쟁을 벌여 오던 물리 큐빗의 스케일업 추세에서 방향 전환이 생기고 있다는 신호를 보여준다는 점에서 함의하는 바가 크다. 현재의 양자컴퓨터 기술 경쟁 국면에서는 여전히 물리 큐빗의 규모 자체를 늘리고 오버헤드 비율을 낮춰서 실제로 연산에 활용되는 논리 큐빗 늘리기가 첨예한 관심사다. 그러나 이제 양자컴퓨터의 실용적 활용을 위해 대두되고 있는 또 다른 중요 이슈는 양자컴 연산이 장시간 안정적으로 작동할 수 있게 해 주는 오류 강건성이 얼마나 좋아졌느냐다. 같은 물리 큐빗 숫자와 오버헤드 비율을 갖추더라도 코드거리에 따라 논리 오류가 더 빨리 감소하게 만들 수 있다면 실질적으로는 연산 효율성을 더 높일 수 있기 때문이다. 구글 연구팀이 이번에 업데이트한 전략은 중장기적으로는 논리 오류율을 낮춰 논리 큐빗 규모를 늘릴 수 있는 전략의 핵심적 근거를 보였다. 또한 구글 연구팀은 주로 양자우월성 혹은 양자우위 같은 겉보기 홍보에 가까운 지표에 치중하던 과거의 경향에서 벗어나, 장시간 작동 가능한 대규모 연산이라는 실용성에 주안을 두었다. 특히 이미 기술적으로 검증된 각종 테스트나 연산 툴들을 더 정교하게 다듬었다고 볼 수 있다. 특히 이미 1년 전 윌로우 칩에서 선보인 표면코드 기반 양자오류수정QEC 개념이 실험적으로 확장될 수 있음을 증명하였으며, 특히 코드거리를 늘리면 논리오류가 지수함수적으로 감쇠됨을 실험적으로 확정했기 때문에 향후 표면코드 기반의 QEC에 적합한 격자 형태 스케일업이 지속될 것도 유추할 수 있다. 또한 양자우위 개념을 단순히 연산속도의 압도적 격차로만 보여주는 것이 아니라, 양자간섭구조 고유의 특징을 증명하는 방법으로 보여줌으로써 고전적 전자컴퓨터는 이제 시뮬레이션으로도 흉내내기 어려운 근본적인 양자컴퓨터만의 차별적 특징을 확정적으로 보여준 것에서도 의미를 찾을 수 있다.
요약하자면 이번 구글 연구팀이 업데이트한 양자컴퓨터 기술은 완전히 새로운 개념의 기술은 아니다. 보다 실용적 활용이 가능한 수준으로 기술적 기반을 더 단단하게 다지고, 양자컴퓨터 규모 확장의 정당성, 그리고 양자컴퓨터 고유의 연산 특징을 더 확고하게 규정했다는 것에서 진짜 의미를 찾을 수 있다. 이를 기반으로 구글이 앞으로도 물리 큐빗 확장 뿐만 아니라 보다 근본적인 이슈, 즉, 양자오류수정의 실질적 효율 쪽으로 더 연구개발 자원을 집중을 할 것임도 예상할 수 있다. 이는 한국에서도 추구되는 양자컴퓨터 개발 전략 역시 두 축으로 전략이 업데이트될 필요가 있음을 의미한다. 큐빗 규모 확장과 더불어 장시간 작동 가능한 오류율 통제된 QEC 전략이 바로 그것이다.
sjoonkwon@skku.edu
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