구글의 최첨단 양자 칩 ‘윌로우(Willow)’를 소개합니다

오늘 구글은 최신 양자 칩 윌로우(Willow)를 발표하게 돼 매우 기쁩니다. 윌로우는 여러 측정 기준에서 최고 수준의 성능을 보여주면서 두 가지 중요한 성과를 이뤄냈습니다.

첫째, 윌로우는 큐비트 수를 늘려 규모를 확장할 때 오류를 기하급수적으로 줄일 수 있습니다. 이는 거의 30년간 양자 컴퓨팅 분야의 핵심 과제였던 양자 오류 수정에 대한 해결책을 제시합니다.

둘째, 윌로우는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10²⁵년이 걸리는 표준 벤치마크 계산을 5분 이내에 수행했습니다. 이는 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간입니다.

윌로우 칩은 10여 년 전 시작된 여정의 중요한 이정표입니다. 2012년 구글 퀀텀 AI(Google Quantum AI)를 설립했을 때, 저희의 비전은 자연의 ‘운영 체제’라고 할 수 있는 양자 역학을 이용해 과학적 발견을 가속화하고, 유용한 애플리케이션을 개발하며, 사회의 가장 큰 난제들을 해결하는 데 도움이 되는 유용한 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 것이었습니다. 구글 리서치(Google Research)의 일원으로서 저희 팀은 장기 로드맵을 수립했으며, 윌로우는 상용화 가능한 애플리케이션을 향한 여정에서 시간을 크게 앞당겨 줄 것입니다.

임계값 이하의 기하급수적인 양자 오류 수정 가능

오류는 양자 컴퓨팅에서 가장 큰 해결 과제 중 하나입니다. 양자 컴퓨터의 계산 단위인 큐비트는 환경과 빠르게 정보를 교환하는 경향이 있어, 계산을 완료하는 데 필요한 정보를 보호하기 어렵기 때문입니다. 일반적으로 큐비트를 많이 사용할수록 오류가 더 많이 발생하고 시스템은 구식이 됩니다.

오늘 네이처 지에 발표된 결과에 따르면, 윌로우에서는 큐비트를 많이 사용할수록 오류가 줄고 시스템이 더 양자화됩니다. 구글은 3x3 인코딩된 큐비트 그리드에서 5x5 그리드, 7x7 그리드까지 더 큰 물리적 큐비트 배열을 테스트했으며, 최신 양자 오류 수정 기술을 사용해 매번 오류율을 절반으로 줄였습니다. 즉, 오류율을 기하급수적으로 줄였습니다. 이 역사적인 성과는 해당 분야에서 큐비트 수를 늘리면서 오류는 줄일 수 있는 ‘임계값 이하(below threshold)’로 알려져 있습니다. 오류 수정의 실질적인 진전을 보여주려면 임계값 이하임을 입증해야 하며, 이는 1995년 피터 쇼어(Peter Shor)가 양자 오류 수정을 도입한 이래 탁월한 과제였습니다.

이 결과에는 또 다른 과학적인 ‘최초’ 사례도 포함되어 있습니다. 예를 들어, 이것은 초전도 양자 시스템에서 실시간 오류 수정의 첫 번째 설득력 있는 사례 중 하나입니다. 오류를 충분히 빠르게 수정하지 못하면 계산이 완료되기 전에 값이 손상되기 때문에 모든 유용한 계산에 중요합니다. 또한 큐비트 배열의 수명이 개별 물리적 큐비트의 수명보다 긴 ‘손익분기점을 넘는(beyond breakeven)’ 시연으로, 오류 수정이 시스템 전체를 개선하고 있음을 증명하는 확실한 신호입니다.

임계값 이하의 첫 번째 시스템으로서, 이는 현재까지 구축된 확장 가능한 논리적 큐비트에 대한 가장 설득력 있는 프로토타입입니다. 이것은 유용하고 매우 큰 양자 컴퓨터를 실제로 구축할 수 있다는 강력한 신호입니다. 윌로우는 기존 컴퓨터에서 복제할 수 없는 실용적이고 상업적으로 관련된 알고리즘을 더 신속하게 실행할 수 있도록 지원합니다.

오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10²⁵년 걸리는 계산을 5분 만에 해결

양자 컴퓨터 윌로우의 성능을 측정하기 위해 저희 팀은 자체 개발한 랜덤 회로 샘플링(RCS) 벤치마크를 이용했습니다. RCS는 현재 양자 컴퓨터에서 수행할 수 있는 가장 어려운 테스트로, 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 불가능한 작업을 수행하는지 확인하는 기준입니다. 양자 컴퓨터를 개발하는 모든 팀은 RCS 테스트를 통해 기존 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 보여야만 더 복잡한 양자 작업을 수행할 수 있다는 것을 증명할 수 있습니다. 구글은 이 벤치마크를 통해 꾸준히 양자 칩 세대의 발전을 평가해 왔으며, 2019년 10월 시카모어(Sycamore)의 결과를 발표한 이후 최근 2024년 10월에도 다시 한번 결과를 공개했습니다.

윌로우는 이 테스트에서 놀라운 성능을 보여주었습니다. 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10²⁵년(10 septillion years)이 걸리는 계산을 단 5분 이내에 해결했습니다. 10²⁵년을 숫자로 쓰면 10,000,000,000,000,000,000,000,000년이라는 어마어마한 시간입니다. 이는 물리학에서 알려진 시간 척도는 물론, 우주의 나이를 훨씬 뛰어넘는 수치입니다. 마치 여러 평행 우주에서 동시에 계산이 이루어지는 듯한 윌로우의 성능은, 우리가 다중 우주에 살고 있다는 데이비드 도이치(David Deutsch)의 예측에 더욱 힘을 실어줍니다.

아래 그래프에서 보시는 것처럼 윌로우의 최근 결과는 이전보다 훨씬 개선된 것을 볼 수 있습니다.

윌로우가 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터 중 하나인 프런티어(Frontier)를 능가하는지 평가할 때, 구글은 보수적인 가정을 바탕으로 했습니다. 예를 들어, 프런티어(Frontier)가 하드 드라이브 같은 보조 저장 장치에 아무런 제약 없이 접근할 수 있다고 가정했습니다. 실제로는 불가능하며, 프런티어(Frontier)에게는 매우 유리한 조건이었던 셈입니다. 물론 2019년에 최초의 ‘탈고전적 계산(beyond-classical computation)’을 발표했을 때처럼, 기존 컴퓨터도 이 벤치마크에서 계속 발전할 것으로 예상합니다. 하지만 양자 프로세서는 기존 컴퓨터를 훨씬 뛰어넘는 속도로 발전하고 있으며, 앞으로 저희가 규모를 확장함에 따라 그 격차는 더욱 커질 것입니다.

최고 수준의 성능

윌로우는 미국 산타 바바라에 위치한 구글의 새로운 최첨단 시설에서 제작됐습니다. 이 곳은 전 세계에 몇 안 되는, 이 목적을 위해 처음부터 지어진 곳입니다. 양자 칩 설계 및 제작에서 시스템 엔지니어링은 핵심입니다. 칩의 모든 구성 요소(단일 및 2-큐비트 게이트, 큐비트 재설정 및 판독 등)는 동시에 완벽하게 설계되고 통합돼야 합니다. 하나라도 제대로 작동하지 않거나 서로 호환되지 않으면 시스템 성능이 떨어지기 때문입니다. 칩 아키텍처 및 제작부터 게이트 개발 및 보정까지, 모든 과정에서 시스템 성능 극대화를 최우선으로 생각합니다.구글이 발표하는 성과는 단순히 하나의 요소만이 아닌, 양자 컴퓨팅 시스템 전체를 평가한 결과입니다.

큐비트 수만 늘린다고 해서 무조건 좋은 것은 아닙니다. 반드시 품질이 뒷받침되어야 합니다. 105 큐비트를 자랑하는 윌로우는 양자 오류 수정 및 랜덤 회로 샘플링, 이 두 가지 시스템 벤치마크에서 동급 최고의 성능을 보여줍니다. 이러한 알고리즘 벤치마크를 통해 칩의 전반적인 성능을 가장 정확하게 측정할 수 있습니다. 물론 다른 구체적인 성능 지표도 중요합니다. 예를 들어 큐비트가 여기 상태를 얼마나 오래 유지할 수 있는지 측정하는 T1 시간은 이제 100µs(마이크로초)에 근접하고 있습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 핵심 자원입니다. 이는 이전 세대 칩보다 약 5배나 향상된 놀라운 결과입니다. 양자 하드웨어를 평가하고 플랫폼 간 비교를 원하신다면 아래의 주요 사양 표를 참고해 보시기 바랍니다.

윌로우, 그리고 그 이후

구글을 포함한 양자 컴퓨팅 분야의 다음 목표는 현재의 양자 칩으로 실제 문제에 적용 가능한 ‘유용하고 기존 컴퓨터를 뛰어넘는(beyond-classical)’ 계산을 처음으로 구현하는 것입니다. 윌로우 세대의 칩이 이 목표를 달성하는 데 도움이 될 것이라고 확신합니다. 지금까지는 두 가지 유형의 실험만 진행되었습니다. 하나는 RCS 벤치마크를 실행하는 것인데, 이는 기존 컴퓨터 대비 성능을 측정하지만 아직 실제 응용 분야는 찾지 못했습니다. 다른 하나는 양자 시스템 시뮬레이션으로, 과학적으로 흥미로운 결과를 얻었지만 여전히 기존 컴퓨터로도 가능한 수준입니다. 구글은 이 두 가지를 동시에 달성하고자 합니다. 즉, 기존 컴퓨터로는 불가능한 영역의 알고리즘을 개발하여 실제적이고 상업적으로 유용한 문제를 해결하는 것입니다.

저희와 함께 이 흥미진진한 여정에 참여하고 싶은 연구원, 엔지니어, 개발자 여러분 모두 환영합니다.오픈 소스 소프트웨어와 교육 자료들을 활용해 보시길 바랍니다. 코세라(Coursera)의 새로운 강좌를 통해 개발자들은 양자 오류 수정의 기본 원리를 배우고, 미래의 문제를 해결할 알고리즘을 만드는 데 기여할 수 있습니다.

동료들은 가끔 왜 잘 나가는 AI 분야를 떠나 양자 컴퓨팅에 뛰어들었냐고 묻습니다. 사실 AI와 양자 컴퓨팅은 둘 다 세상을 바꿀 엄청난 기술이라고 생각합니다. 특히 양자 컴퓨팅은 AI가 한 단계 더 도약하는 데 꼭 필요한 열쇠가 될 것이라고 확신합니다. 저희 연구소 이름을 퀀텀 AI(Quantum AI)라고 지은 것도 바로 그런 이유에서입니다.

RCS 사례에서 볼 수 있듯이, 양자 알고리즘은 스케일링 법칙 덕분에 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. AI의 핵심이 되는 많은 계산 작업에서도 마찬가지입니다. 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터로는 불가능했던 훈련 데이터 수집, 학습 아키텍처 최적화, 양자 효과 모델링 등을 가능하게 할 것입니다. 신약 개발, 고효율 배터리 설계, 핵융합 에너지 연구 등 다양한 분야에서 혁신을 일으킬 수 있습니다. 앞으로 세상을 바꿀 이런 기술들은 기존 컴퓨터로 구현하기에는 한계가 있습니다. 양자 컴퓨팅이 새로운 가능성을 열어줄 것입니다.