구글, 양자 AI로 슈퍼컴퓨터 대비 1만3,000배 속도 기록적 성과

구글 양자 AI 팀이 자체 개발한 양자 칩 '윌로우(Willow)'와 새로운 알고리즘 '퀀텀 에코스(Quantum Echoes)'를 활용해 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터보다 약 1만 3,000배 빠른 속도로 연산을 수행하고, '검증 가능한 양자 우위(Verifiable Quantum Advantage)'를 세계 최초로 달성했다고 발표했다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링이 22일(현지시각) 보도했다.

구글 양자 AI 팀의 혁신적인 연구 결과는 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.


양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터의 비트보다 기하급수적으로 빠른 정보 처리가 가능한 큐비트를 기반으로 한다. 구글은 2019년 54큐비트 시커모어 프로세서로 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸릴 문제를 200초 만에 해결하며 '양자 우월성'을 주장했으나, 당시 사용된 '무작위 회로 샘플링' 방식은 실제 응용이 불가능하고 검증이 어렵다는 비판을 받았다.

보도에 따르면 이번에 구글은 이 결함을 해결했다. 연구팀은 65개의 큐비트에 '퀀텀 에코스' 알고리즘을 적용한 결과, 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나인 프론티어의 최고 고전 알고리즘보다 약 1만 3,000배 빠르게 작업을 완료했다.
가장 중요한 성과는 이 결과가 여러 개의 양자 프로세서에서 재현 가능한 '검증 가능한' 결과라는 점이다. 구글 양자 AI 연구 과학자 토마스 오브라이언은 "검증은 응용 프로그램으로 이어질 수 있는 핵심"이라며, "데이터가 정확하다는 것을 증명할 수 없다면 어떻게 활용할 수 있겠느냐"고 말했다.


'시간 비순서 상관 관계 알고리즘(OTOC)'으로도 불리는 이 알고리즘은 분자의 거동을 시뮬레이션하는 과정에서 작동한다. 시스템을 정방향으로 연산한 후, 관련 큐비트 중 하나를 미세하게 교란(나비효과에 비유)하고, 다시 원래 작업을 역방향으로 되돌려 두 결과 집합을 비교한다.

이러한 정방향 및 역방향 과정은 작은 변화가 전체 양자 시스템에 미치는 영향을 파악하는 데 도움을 주며, 기존 슈퍼컴퓨터로는 감당하기 어려운 복잡한 계산을 가능하게 한다.

인터레스팅 엔지니어링에 따르면 노벨상 수상자이자 구글 양자 하드웨어 수석 과학자인 미셸 드보레는 윌로우 칩의 105큐비트 용량과 0.1%의 낮은 오류율이 이 실험의 성공에 결정적이었다고 설명했다. 오브라이언은 2019년 시연에서 수집된 데이터의 0.1%만 정확했던 것과 비교해, 이번에는 "데이터의 0.1%만 틀릴 수 있다"며 정확도의 비약적인 향상을 강조했다.


연구팀은 퀀텀 에코스 알고리즘이 향후 핵자기 공명(NMR) 분광법과 같은 분자 영상 기술을 향상시켜 더 나은 약물, 촉매, 폴리머, 배터리 등을 설계하는 데 기여할 것으로 기대하고 있다. 초기 테스트에서 이 알고리즘은 최대 15 큐비트를 사용하여 정확한 분자 모델을 생성했다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 아쇼크 아조이 조교수는 "NMR이 화학, 생물학, 재료 과학 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다는 점을 고려할 때 이 방법론은 향후 광범위한 응용 분야를 제공할 수 있을 것"이라고 평가했다.

구글 양자 AI의 창립자이자 관리자인 하르트무트 네벤은 "우리는 5년 안에 양자 컴퓨터로만 가능한 실제 응용이 가능할 것이라는 낙관적인 전망을 계속 유지하고 있다"며 양자 컴퓨팅의 상용화에 대한 강한 자신감을 내비쳤다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com