양자 오류 보정을 향한 구글의 전진

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3년 전, 구글은 당시 가장 빠른 슈퍼컴퓨터의 성능을 능가하는 양자 컴퓨팅 작업을 최초로 시연하였습니다. 그것은 대규모 양자 컴퓨터 구축을 향한 구글 로드맵의 중요한 이정표이자 우리 모두가 기대해왔던 양자 컴퓨터의 역사적인 순간이었습니다. 그러나 이는 과학 발전의 긴 여정에서 보면, 인류 진보에 의미있는 양자 애플리케이션을 개발하기 위한 한 단계를 겨우 통과한 것에 불과했습니다.


이제 구글은 앞으로 한 발 더 큰 걸음을 내딛고 있습니다. 구글의 퀀텀 AI(Quantum AI) 연구원들은 큐비트(Qubit) 수를 늘려 오류를 줄일 수 있음을 실험을 통해 최초로 증명했습니다. 양자 컴퓨팅에서 '큐비트'란 단순히 0과 1이 아닌, 그 이상으로 확장되어 다양한 상태로 존재할 수 있는 양자 정보의 기본 단위입니다. 이번에 구글이 이룬 혁신은 양자 컴퓨터의 작동 방식에 있어 중대한 변화를 상징합니다. 양자 프로세서의 물리적 큐비트를 하나씩 작업하는 대신, 여러 개의  큐비트로 이루어진 집합을 하나의 논리 큐비트(logical qubit)로 다룬다는 것입니다. 결과적으로, 17개의 물리적 큐비트로 만든 하나의 논리 큐비트 보다 49개의 물리적 큐비트로 만든 논리 큐비트가 더욱 뛰어난 성능을 발휘하는 것을 확인하였습니다. 구글의 이러한 연구 결과는 국제 학술지 ’네이처(Nature)’에도 게재되었습니다.


이번 연구 결과가 중요한 이유는 다음과 같습니다:  

구글의 양자 컴퓨터는 양자 알고리즘이라고 하는 체계적인 방식으로 큐비트를 조작하여 작동합니다. 그러나 큐비트는 매우 민감해 미세한 빛만으로도 계산 오류가 일어날 수 있으며, 이러한 문제점은 양자 컴퓨터 규모가 증가함에 따라 더 커지게 됩니다. 이는 심각한 결과로 이어질 수 있는데, 중요한 애플리케이션을 실행하는 최고의 양자 알고리즘이 제대로 작동하려면 큐비트의 오류율이 지금보다 훨씬 낮아야 하기 때문입니다. 이러한 간극을 메우기 위해서는 양자 오류 보정이 필요합니다.


양자 오류 보정은 여러 물리적 큐비트 전반에 정보를 인코딩해 보호함으로써 "논리 큐비트"를 구성합니다. 이 방법은 중요한 계산에 사용될 수 있을 만큼 오류율이 충분히 낮은 대규모 양자 컴퓨터를 제작하는 유일한 방법이라고 할 수 있습니다. 개별 큐비트 자체로 계산하는 대신, 논리 큐비트를 기반으로 계산하는 방식입니다. 향후에는 양자 프로세서에서 더 많은 물리적 큐비트를 하나의 논리 큐비트로 인코딩해 오류율을 낮춤으로써, 더욱 유용한 양자 알고리즘을 제공할 수 있기를 기대하고 있습니다. 

논리 큐비트를 확장하는 기념비적인 실험 단계에 도달한 것은 이번이 처음입니다. 양자 컴퓨터는 수백만 명의 일상에 실질적인 혜택을 가져올 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 그래서 구글은 이번 성과는 물론, 앞으로의 또 다른 이정표를 향해 매진해 왔습니다. 구글은 양자 컴퓨터가 언젠가는 신약의 분자를 식별하고, 더 적은 에너지로 비료를 만들고, 배터리에서 핵융합로에 이르기까지 보다 효율적이고 지속 가능한 기술을 설계하고, 그 누구도 상상하지 못했던 발전을 이룰 물리학 연구를 수행하는 데 활용될 것이라고 믿습니다. 그렇기 때문에 구글은 궁극적으로 고객과 파트너가 구글 클라우드를 포함해 양자 하드웨어, 도구 및 애플리케이션을 활용할 수 있도록 노력을 기울이고 있습니다. 이를 통해 고객과 파트너들은 새롭고 흥미로운 방식으로 양자의 힘을 활용할 수 있을 것입니다.


사람들이 양자 컴퓨터를 최대한 활용할 수 있도록 하려면 더 높은 기술 단계에 도달해 오류율을 낮추는 동시에, 수천 개의 논리 큐비트로 확장할 수 있어야 합니다. 이를 위해 전자 장치 제어를 위한 저온물리학에서 큐비트의 설계 및 재료에 이르는 기술의 여러 요소를 하나하나 개선하는 일까지 앞으로 더 많은 과제들이 우리 앞에 놓여 있습니다. 앞으로 이러한 발전을 통해 대규모 양자 컴퓨터의 모습은 더욱 분명하게 그려질 것입니다. 또한, 구글이 프로세스 개선을 위해 머신러닝의 활용 방안을 모색함에 따라, 양자 프로세서를 개발하는 과정 자체도 AI를 활용하는 엔지니어링을 위한 훌륭한 시험대가 될 것 입니다. 

구글은 양자 컴퓨팅가 가진 엄청난 잠재력을 감안해, 이를 책임감 있게 개발하기 위한 다양한 조치를 취하고 있습니다. 정부 및 보안 커뮤니티와의 파트너십을 바탕으로 향후 양자 컴퓨터 공격으로부터 인터넷 트래픽을 보호할 수 있는 시스템을 구축하고 있습니다. 또한 구글 클라우드, 안드로이드, 크롬 등과 같은 서비스가 미래의 양자 컴퓨팅 환경에서도 안전하게 작동할 수 있도록 연구하며 노력하고 있습니다. 


구글의 양자 컴퓨팅이 이용자, 고객, 파트너, 그리고 우리의 미래에 어떤 의미를 갖게 될지 생각해보면, 매우 기대됩니다. 

구글은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터와 조화를 이루면서 인간 지식의 한계를 허물고 세계에서 가장 복잡한 문제의 해결책을 찾을 수 있는 그 날을 향해 부단한 노력을 기울일 것입니다.