양자 컴퓨터가 기존 시스템으로는 해결할 수 없는 새로운 규모의 문제를 탐구하기 위한 과학적 도구로 사용될 수 있는 성능과 효용을 제공하는 시점인 ‘양자 유용성 단계’로 본격 진입하고 있다.

IBM은 15일 과학 저널 네이처(Nature) 표지를 장식한 새로운 연구 결과를 발표했는데, 양자 컴퓨터가 100큐비트 이상의 규모에서 기존 컴퓨팅 방식을 뛰어 넘는 정확한 결과를 산출할 수 있음을 처음으로 입증했다고 밝혔다.

양자 컴퓨팅의 궁극적인 목표 중 하나는 기존 컴퓨터로는 효율적으로 계산할 수 없는 재료, 물질의 자연적 성질을 모형화해 계산하고 그 구성 요소들을 시뮬레이션하는 것이다. 이 계산을 할 수 있다는 것은 △더 효과적인 비료 개발 △더 나은 배터리 제작 △신약 개발과 같은 과제를 해결하기 위한 중요한 단계다. 

현재 양자 시스템은 본질적으로 노이즈가 많고, 이로 인해 성능을 저해하는 오류가 상당수 발생한다. 이는 양자 비트 또는 큐비트의 취약한 특성과 주변 환경에서 오는 교란 때문인 것으로 알려져 있다.

IBM 연구팀은 이번 실험에서 양자 컴퓨터가 가지고 있는 오류를 이해하고 완화시킴으로써 기존 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 능가하는 성능을 발휘할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 자기적인 성질을 띈 물질을 모형화 하고, 자기적인 물질을 구성하는 근본 요소인 ‘스핀’의 동역학을 시뮬레이션하기 위해 127개의 초전도 큐비트로 구성된 IBM '이글' 양자 프로세서를 사용해 대규모 ‘얽힘’ 상태를 생성해 자화(magnetization) 등의 물리적인 특성을 정확하게 계산했다고 전했다.

이 계산의 정확성을 검증하기 위해 캘리포니아 대학교 버클리의 과학자 팀은 로렌스 버클리 국립연구소의 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터(NERSC)와 퍼듀 대학교에 위치한 첨단 수퍼컴퓨터에서 같은 물질의 시뮬레이션을 함께 진행했다. 

물질 모형의 규모가 커짐에 따라, 양자 컴퓨터는 더욱 진화된 첨단 오류 완화 기법을 이용해 지속적으로 정확한 결과를 도출해낸 데 반해, 기존 컴퓨팅 방식은 IBM 퀀텀 시스템과 비교할 수 없을 정도로 성능이 저하됐다.

다리오 길(Darío Gil) IBM 리서치 수석 부사장 겸 총책임자는 “양자 컴퓨터가 기존 접근 방식을 뛰어넘어 자연의 물리 현상을 정확하게 계산한 것은 이번이 처음이다”라며, “이번 성과는 오늘날의 양자 컴퓨터가 기존 시스템에서는 모델링이 매우 어렵거나, 어쩌면 불가능한 문제에 사용할 수 있는 유능하고 과학적인 도구라는 것을 증명하는 중요한 단계이며, 이제 양자 컴퓨팅이 새로운 과학적 활용 시대로 접어들고 있음을 의미한다”라고 말했다.

IBM은 이번 연구를 바탕으로 클라우드 상에서 구동되거나 파트너사에 설치·운영하고 있는 모든 IBM 퀀텀 시스템을 최소 127 큐비트 이상으로 업그레이드할 것이라고 발표했다. 

이 프로세서들은 특정 애플리케이션에 있어서는 기존 컴퓨터를 능가할 만큼 높은 연산 능력을 제공하며, 늘어난 양자 결맞음(coherence, 코히어런스 타임, 큐비트의 안정성 지표) 시간과 낮은 오류율을 제공할 것으로 기대했다. 

이러한 성능을 통해 지속적으로 발전하고 있는 오류 완화 기술과 결합한 IBM 퀀텀 시스템이 ‘양자 유용성 단계(utility scale)'라는 새로운 임계점을 넘을 수 있도록 지원할 것이라고 전했다. IBM이 명명한 ‘양자 유용성 단계’란 ‘양자 컴퓨터가 기존 시스템으로는 해결할 수 없는 새로운 규모의 문제를 탐구하기 위한 과학적 도구로 사용될 수 있는 성능과 효용을 제공하는 시점’을 의미한다.

한편, 연구 기관과 민간 부문 리더들은 고성능 컴퓨팅, 고에너지 물리학, 의료 및 생명 과학, 최적화, 금융, 지속 가능성 등 양자가 즉각적인 잠재력을 제공할 수 있는 산업 전반에 걸쳐 활동하고 있다.