중국, 세계 최고 속도 양자 컴퓨터 '지우장 4.0' 개발…슈퍼컴 능가

중국이 세계에서 가장 빠른 광자 양자 컴퓨터 프로토타입을 개발하며 양자 컴퓨팅 분야의 기술적 우위를 다시 한번 입증했다.

15일(현지시각) 차이나데일리 등 외신에 따르면 중국과학기술대학교(USTC)가 주도하는 공동 연구팀은 최근 세계 최고 속도의 양자 컴퓨터 프로토타입인 '지우장(Jiuzhang) 4.0'을 개발하는 데 성공했다고 학술지 네이처(Nature)를 통해 발표했다. 이번 연구는 광자 손실이라는 치명적인 기술적 한계를 극복하고 양자 우위를 전례 없는 수준으로 끌어올렸다는 점에서 세계 과학계의 주목을 받고 있다.


양자 컴퓨터는 0과 1 중 하나만을 처리하는 기존 컴퓨터의 비트와 달리, 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 '중첩' 상태를 활용하는 큐비트(Qubit)를 기본 단위로 한다. 이를 통해 수많은 계산 경로를 병렬로 동시에 탐색할 수 있어, 특정 복잡한 수학 문제 해결이나 시뮬레이션에서 기하급수적인 속도를 낼 수 있다.

현재 양자 컴퓨팅 기술은 초전도, 이온 트랩, 광자, 중성 원자 시스템 등이 경쟁하고 있다. 이 중 중국이 선택한 '지우장' 시리즈는 빛 입자(광자)에 정보를 인코딩하는 광자 양자 컴퓨터다.

광자 양자 컴퓨터는 광자를 정밀하게 제어하는 능력이 핵심이지만, 광 네트워크가 커질수록 광자가 미로 속에서 길을 잃고 사라지는 '광자 손실'이 고질적인 연산 오류의 원인으로 지적되어 왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 고효율 광학 파라메트릭 발진기 광원과 시공간 하이브리드 코딩 간섭계를 독자 개발했다. 1,024개의 고효율 압축 상태 광장을 8,176개 모드를 가진 회로에 통합함으로써 광원 효율 92%, 전체 시스템 효율 51%라는 획기적인 수치를 달성했다.

특히 이번에 도입된 시공간 혼합 코딩 아키텍처는 광자가 시간과 공간 차원 모두에서 상호 작용할 수 있도록 설계됐다. 그 결과 장치의 물리적 규모를 제어하면서도 전체 네트워크의 연결성을 대폭 향상시키는 데 성공했다.


이러한 기술 혁신을 바탕으로 연구팀은 최대 3,050개의 광자를 조작하고 감지하는 데 성공했다. 이는 지난 2023년 발표된 전작 '지우장 3.0'(255개 광자)과 비교했을 때 가히 폭발적인 도약이다.
성능 실험 결과, 지우장 4.0이 특정 복잡 데이터 샘플을 생성하는 데 걸린 시간은 단 25마이크로초(100만 분의 25초)에 불과했다. 반면 현재 미국이 보유한 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터 '엘 카피탄(El Capitan)'이 동일한 결과물을 계산하려면 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이 소요되는 것으로 나타났다.


중국은 지난 2020년 76개의 광자를 사용하는 지우장 1.0을 선보이며 세계에서 두 번째로 양자 우위를 달성한 국가이자, 광학 시스템 분야에서는 최초로 양자 우위를 확보한 국가가 되었다.

중국 정부는 올해부터 시작되는 '제15차 5개년 계획(2026~2030년)'을 통해 양자 기술을 미래 핵심 산업이자 지속적인 강화가 필요한 전략적 최전선으로 지정했다. 중국은 향후 기초 이론과 핵심 부품 기술의 내재화를 추진하는 동시에, 내결함성을 갖춘 범용 양자 컴퓨터와 특정 산업에 특화된 확장형 양자 컴퓨터 개발 및 산업화를 가속화한다는 방침이다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com