양자 컴퓨터는 과장된 것인가? 네이처(Nature)의 새로운 연구에서는 그렇지 않다고 말한다. 양자 칩은 슈퍼컴퓨터가 9,000년 동안 할 작업을 수행하는 데 단지 마이크로초가 걸린다.

 

Xanadu의 업적은 기존 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨팅의 힘을 입증한 가장 최근의 것이다. 양자 이점이라고 하는 겉보기에는 단순한 아이디어이다.

 

이론적으로 개념은 의미가 있다. 이진 비트(0 또는 1)를 사용하여 순서대로 계산하는 기존 컴퓨터와 달리 양자 장치는 0과 1이 동시에 다른 확률로 존재할 수 있는 양자 세계의 기이함을 활용한다. 데이터는 고유한 물리학 덕분에 여러 계산을 동시에 수행하는 비확정 단위인 큐비트로 처리된다.

 

양자 컴퓨터는 매우 효율적인 멀티태스커와 비슷하지만 기존 컴퓨터는 훨씬 더 선형적이다. 동일한 문제가 주어졌을 때 양자 컴퓨터는 속도와 효율성 면에서 모든 문제에서 슈퍼컴퓨터를 능가할 수 있어야 한다. "양자 우위"라고 불리는 아이디어는 이전에 만들어진 어떤 것과도 완전히 다른 차세대 컴퓨터를 추진하는 원동력이었다.

 

문제는 양자 우위를 증명하는 것은 매우 어렵다. 더 많은 실제 문제를 해결하기 위해 실험실을 떠나는 양자 장치가 증가함에 따라 과학자들은 중간 벤치마크인 양자 이점을 수용하고 있다. 이는 양자 컴퓨터가 어떤 작업이든 단 하나의 작업에서 기존의 컴퓨터를 능가할 수 있다는 아이디어이다.

 

2019년에 Google은 기존 슈퍼컴퓨터의 추정 10,000년에 비해 54큐비트로 계산 문제를 단 200초 만에 해결하는 양자 컴퓨터의 첫 번째 예인 시카모어(Sycamore)를 선보이며 인터넷을 깨뜨렸다. 중국 팀은 머지않아 양자 컴퓨팅 이점에 대한 두 번째 매혹적인 쇼케이스를 선보였다. 이 기계는 슈퍼컴퓨터가 20억 년 이상 걸릴 답변을 내놓았다.

 

그러나 중요한 질문이 남아 있다. 이러한 양자 장치 중 실제 사용을 위한 준비가 거의 된 것이 있을까?

 

과감한 재설계

 

컴퓨터가 물리학에 의존한다는 사실을 잊기 쉽다. 예를 들어 우리의 현재 시스템은 전자와 교묘하게 설계된 칩을 활용하여 기능을 수행한다. 양자 컴퓨터는 비슷하지만 대체 입자 물리학에 의존한다. 양자 기계의 초기 세대는 섬세하고 반짝이는 샹들리에처럼 보였다. 컴팩트한 스마트폰 칩과 비교할 때 절대적으로 화려하지만 완전히 비실용적이다. 하드웨어는 간섭을 줄이고 컴퓨터의 효율성을 높이기 위해 엄격하게 제어되는 기후(예: 절대 영도에 가까운 온도)가 필요한 경우가 많다.

 

양자 컴퓨팅의 핵심 개념은 동일하다. 큐비트는 중첩으로 데이터를 처리한다. 큐비트는 0, 1 또는 둘 다를 동시에 인코딩할 수 있는 양자 물리학의 단점이다. 아이디어를 지원하는 하드웨어는 크게 다르다.

 

예를 들어 Google의 시카모아(Sycamore)는 초전도 금속 루프를 사용한다. IBM을 비롯한 다른 기술 대기업에서 인기 있는 설정으로, 2021년에 1/4 크기의 강력한 127큐비트 양자 칩인 Eagle을 출시했다. Honeywell 및 IonQ와 같은 회사의 다른 반복 제품은 양자 컴퓨팅의 주요 소스로 이온(하나 이상의 전자가 제거된 원자)을 활용하여 다른 접근 방식을 취했다.

 

또 다른 아이디어는 광자 또는 빛의 입자에 의존한다. 이미 유용성이 입증되었다. 예를 들어 중국의 양자 이점 시연은 광자 장치를 사용했다. 그러나 이 아이디어는 엔지니어링 및 설정의 어려움으로 인해 실용적인 솔루션이 아니라 양자 컴퓨팅을 향한 단순한 디딤돌로 기피되었다.

 

광자 혁명

 

Xanadu의 팀은 반대론자들이 틀렸음을 입증했다. 새로운 칩인 보레알리스(Borealis)는 계산을 위해 초전도 물질이나 이온 대신 광자를 사용한다는 점에서 중국 연구의 칩과 약간 유사하다.

 

하지만 프로그래밍이 가능하다는 큰 장점이 있다. 연구에 참여하지 않은 브라질 리우데자네이루에 있는 연방 플루미넨세 대학교의 Daniel Jost Brod 박사는 "이전 실험은 일반적으로 각 구성 요소가 제작되면 고정되는 정적 네트워크에 의존했다."고 설명했다. 중국 연구에서 초기 양자 이점 시연은 정적 칩을 사용했다. 그러나 보레알리스(Borealis)를 사용하면 광학 요소를 "모두 쉽게 프로그래밍할 수" 있으므로 일회용 장치가 아니라 잠재적으로 여러 문제를 해결할 수 있는 실제 컴퓨터에 가깝다. (양자 놀이터는 일단 가입하면 누구나 실험하고 탐색할 수 있도록 클라우드에서 사용할 수 있다.)

 

Brod는 이 칩의 유연성은 독창적인 디자인 업데이트에서 비롯되며 "인상적인 제어와 확장 가능성을 제공하는 혁신적인 계획"이라고 말했다.

 

팀은 양자 컴퓨팅 능력을 평가하기 위한 벤치마크인 Gaussian boson 샘플링이라는 문제에 초점을 맞췄다. 이 테스트는 계산적으로 매우 어렵지만 실제 문제에는 큰 영향을 미치지 않는다. 하지만 인공지능 성능을 측정하는 체스나 바둑처럼 양자컴퓨팅의 성능을 평가하는 편견 없는 심판자 역할을 한다. 그것은 일종의 "황금 표준(gold standard)"이다. "가우시안 보존 샘플링은 고전적인 컴퓨터에 비해 양자 장치의 장점을 입증하기 위해 설계된 체계이다."라고 Brod는 설명했다.

 

설정은 공포 영화의 카니발 펀하우스 미러 텐트와 같다. 재미있게 "압착 상태"라고 불리는 빛(및 광자)의 특수 상태는 빔 스플리터 네트워크가 내장된 칩에 터널링된다. 각 빔 스플리터는 반반사 거울처럼 작동한다. 빛이 비추는 방식에 따라 여러 개의 딸로 나뉘며 일부는 반사되고 나머지는 통과한다. 장치의 끝에는 광자 탐지기 어레이가 있다. 빔 스플리터가 많을수록 개별 광자가 주어진 검출기에서 어떻게 끝나는지 계산하기가 더 어려워진다.

 

또 다른 시각화: 유리에 박힌 못 박힌 판자, 콩 기계를 상상해 보자. 플레이하려면 상단에 있는 못에 퍽을 떨어뜨린다. 퍽이 떨어지면서 무작위로 다른 못에 부딪혀 결국 번호가 매겨진 슬롯에 떨어진다.

 

가우스 보손(Gaussian boson) 샘플링은 퍽을 광자로 대체하며 어떤 광자가 어떤 검출기 슬롯에 도달하는지 감지하는 것을 목표로 한다. 양자 속성으로 인해 가능한 결과 분포는 기하급수적으로 증가하여 모든 슈퍼컴퓨터 성능을 빠르게 능가한다. Brod는 기본 물리학을 이해하고 설정에 따르면 수백 개의 광자가 슈퍼컴퓨터에 도전할 수 있기 때문에 훌륭한 벤치마크라고 설명했다.

 

도전을 받아들인 새로운 연구는 놀라운 216큐비트를 가진 광자 양자 장치를 재창조했다. 고전적인 디자인과 달리 이 장치는 이전의 방향 표준 대신 도달 시간의 빈으로 광자를 계산했다. 그 비결은 광섬유 루프를 도입하여 광자를 지연시켜 양자 계산에 중요한 특정 지점에서 간섭할 수 있도록 하는 것이었다.

 

이러한 조정으로 인해 장치가 크게 얇아졌다. 일반적으로 광자 통신에 필요한 대규모 빔 스플리터 네트워크는 광자가 상호 작용하고 작업을 계산하는 데 필요한 모든 지연을 수용하기 위해 단 3개로 줄일 수 있다. 루프 디자인은 다른 구성 요소와 함께 컴퓨터 코드 편집과 같이 하드웨어 수준에서 실시간으로 미세 조정할 수 있다는 점에서 "쉽게 프로그래밍할 수 있다".

 

팀은 또한 표준 온전성 검사를 통해 출력 데이터가 올바른지 확인했다.

 

현재로서는 양자 우위를 확실하게 보여주는 연구는 드물다. 기존 컴퓨터는 반세기 앞서 시작했다. 알고리즘이 기존 컴퓨터, 특히 강력한 AI 중심 칩 또는 뉴로모픽 컴퓨팅 설계를 활용하는 컴퓨터에서 계속 발전함에 따라 양자 장치보다 쉽게 성능이 향상되어 따라잡기 위해 고군분투할 수 있다.

 

하지만 그게 바로 추격전의 재미다. “양자 우위는 단일 성능 지수를 기반으로 하는 잘 정의된 임계 값이 아니다. 그리고 실험이 발전함에 따라 이를 시뮬레이션하는 기술도 발전할 것이다. 가까운 장래에 기록적인 양자 장치와 고전 알고리즘이 서로 교대로 최고 자리를 차지할 것으로 예상할 수 있다.”라고 Brod가 말했다.

 

"이야기의 끝이 아닐 수도 있다."고 그는 계속했다. 그러나 새로운 연구는 "이 경주에서 양자 물리학의 도약"이다.

 

이미지 출처: Geralt / 24493