양자컴퓨팅은 수학적 난제에 해당하는 계산 문제를 아주 빠르고 저 전력으로 계산할 수 있는 혁신적인 기술로 화학계산에서부터 인공지능(AI)에 이르기까지 다양한 분야에서 기존 컴퓨터보다 더 많은 양을 더 빠르게 계산해 종전에는 답을 찾기 어려웠던 영역의 문제를 신속히 처리할 수 있다.

구글의 물리학자들은 실제 응용 프로그램이 없는 틈새 계산에서만 양자 컴퓨터가 고전 기계를 능가할 수 있다고 주장한지 불과 4년만에 양자 컴퓨터가 100큐비트 이상의 규모에서 기존 컴퓨팅 방식을 뛰어 넘는 정확한 결과를 산출할 수 있음을 처음으로 입증했다. 

14일(현지시간) 네이처(Nature)에 표지논문(내결함성 이전의 양자 컴퓨팅의 유용성에 대한 증거/Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance-아래 첨부)으로 발표된 IBM의 새로운 연구 통해 양자 유용성을 증명해냈다. 이는 양자 컴퓨터가 2년 안에 유용한 실제 응용 프로그램을 가질 수 있음을 시사한다.

이 연구는 IBM 퀀텀, IBM 토마스 J. 왓슨 연구 센터(IBM Quantum, IBM Thomas J. Watson Research Cente) 김영석 박사를 수석저자로 IBM 리서치, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스, 일본 와코 이화학연구소(RIKEN iTHEMS), 로렌스 버클리 국립 연구소 공동 연구팀이 수행했다.

양자 컴퓨팅의 궁극적인 목표 중 하나는 기존 컴퓨터로는 효율적으로 계산할 수 없는 재료, 물질의 자연적 성질을 모형화하여 계산하고 그 구성 요소들을 시뮬레이션하는 것이다. 이 계산을 할 수 있다는 것은 더 효과적인 비료 개발, 더 나은 배터리 제작, 신약 개발과 같은 과제를 해결하기 위한 중요한 단계다.

하지만 오늘날의 양자 시스템은 본질적으로 노이즈가 많고, 이로 인해 성능을 저해하는 오류가 상당수 발생한다. 이는 양자 비트 또는 큐비트의 취약한 특성과 주변 환경에서 오는 교란 때문이다.

IBM 연구팀은 이번 실험에서 양자 컴퓨터가 가지고 있는 오류를 이해하고 완화시킴으로써 기존 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 능가하는 성능을 발휘할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 자기적인 성질을 띈 물질을 모형화 하고, 자기적인 물질을 구성하는 근본 요소인 “스핀”의 동역학을 시뮬레이션하기 위해 127개의 초전도 큐비트로 구성된 IBM '이글' 양자 프로세서를 사용해 대규모 ‘얽힘’ 상태를 생성하여 자화(magnetization) 등의 물리적인 특성을 정확하게 계산했다.

이 계산의 정확성을 검증하기 위해 캘리포니아 대학교 버클리의 과학자 팀은 로렌스 버클리 국립연구소의 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터(NERSC)와 퍼듀 대학교에 위치한 첨단 수퍼컴퓨터에서 같은 물질의 시뮬레이션을 함께 진행했다.

물질 모형의 규모가 커짐에 따라, 양자 컴퓨터는 더욱 진화된 첨단 오류 완화 기법을 이용해 지속적으로 정확한 결과를 도출해낸 데 반해, 기존 컴퓨팅 방식은 IBM 퀀텀 시스템과 비교할 수 없을 정도로 성능이 저하됐다.

다리오 길(Darío Gil) IBM 리서치 수석 부사장 겸 총책임자는 "양자 컴퓨터가 기존 접근 방식을 뛰어넘어 자연의 물리 현상을 정확하게 계산한 것은 이번이 처음이다"라고 말했다.

이어 그는 "이번 성과는 오늘날의 양자 컴퓨터가 기존 시스템에서는 모델링이 매우 어렵거나, 어쩌면 불가능한 문제에 사용할 수 있는 유능하고 과학적인 도구라는 것을 증명하는 중요한 단계이며, 이제 양자 컴퓨팅이 새로운 과학적 활용 시대로 접어들고 있음을 의미한다"고 덧붙였다.

한편, IBM은 이 연구를 바탕으로 클라우드 상에서 구동되거나 파트너사에 설치되어 운영되고 있는 모든 IBM 퀀텀 시스템을 최소 127 큐비트 이상으로 업그레이드할 것이라고 밝혔다.

이 프로세서들은 특정 애플리케이션에 있어서는 기존 컴퓨터를 능가할 만큼 높은 연산 능력을 제공하며, 늘어난 양자 결맞음(coherence, 코히어런스 타임 - 큐비트의 안정성 지표) 시간과 낮은 오류율을 제공할 것이다.

이러한 성능은 지속적으로 발전하고 있는 오류 완화 기술과 결합되어 IBM 퀀텀 시스템이 ‘양자 유용성 단계(utility scale)'라는 새로운 임계점을 넘을 수 있도록 지원할 것이다. IBM이 명명한 ‘양자 유용성 단계’란 ‘양자 컴퓨터가 기존 시스템으로는 해결할 수 없는 새로운 규모의 문제를 탐구하기 위한 과학적 도구로 사용될 수 있는 성능과 효용을 제공하는 시점’을 의미한다.

모든 IBM 퀀텀 사용자는 100큐비트 이상의 유틸리티 규모의 프로세서에서 문제를 실행할 수 있다. IBM 퀀텀 챌린지에 참가한 2,000여 명의 참가자들은 이러한 효용 단계에 있는 프로세서를 활용하여 첨단 양자 알고리즘을 보다 쉽게 실행할 수 있는 기술인 동적 양자 회로를 시험해볼 수 있었다.

IBM이 양자 기술 스택을 확장함에 따라 연구 기관과 민간 부문 리더들은 고성능 컴퓨팅, 고에너지 물리학, 의료 및 생명 과학, 최적화, 금융, 지속 가능성 등 양자가 즉각적인 잠재력을 제공할 수 있는 산업 전반에 걸쳐 활동하고 있다.

양자 컴퓨팅이 제공하는 잠재적 가치를 탐구하는 워킹 그룹은 ▶의료 및 생명과학 : 클리브랜드 클리닉과 모더나와 같은 조직이 주도. 분자 발견 가속화 및 환자 위험 예측 모델과 같은 과제에 양자 화학과 양자 머신 러닝을 적용하는 방법을 모색하고 있다.

▶고에너지 물리학: 유럽원자핵공동연구소(CERN)나 독일 전자싱크트론 연구소(DESY) 와 같은 연구 기관으로 구성되어 있으며, 핵융합 모델링과 같은 분야에 가장 적합한 양자 연산을 파악하기 위해 노력하고 있다. ▶재료 분야: 보잉, 보쉬, 시카고 대학교, 오크리지 국립연구소, 엑슨모빌(ExxonMobil), 이화학연구소(RIKEN)의 팀이 주도하는 재료 분야는 재료 시뮬레이션을 위한 워크플로우를 구축하기 위한 최상의 방법을 모색하는 것을 목표로 하고 있다.

▶최적화 : 지속가능성 및 금융 분야에서 양자 우위에 가장 적합한 최적화 문제 식별을 진전시키는 핵심 질문을 탐구하기 위해 E.ON, 웰스 파고 등 글로벌 기관 간 협력을 구축하는 것을 목표로 하고 있다.