[양자컴퓨팅 오늘과 내일] ③ 53 큐비트로 양자 우위 증명(2019)

[요약] 2021년 7월에 하버드(Harvard)-MIT 공동 연구팀이 256큐비트(Qubit) 양자 시뮬레이터를 개발해 여러 가지 양자역학 현상과 양자 요동을 관찰했다. 2019년 구글은 53 큐비트의 양자 컴퓨터로 양자우위를 입증했다. 2017년 IBM은 50큐비트 시제품을 발표했다. 

그러나 누구도 현실 문제들인 빅데이터 분석이나 예측/추천, 머신러닝, 고령화/저출산/식량난/코로나 백신 개발 등을 큐비트에 엔코딩해 실험하지는 못했다. 이를 해결하려면 큐비트 수를 1,000~1백만 개 이상으로 늘려야 하고, 나노초~마이크로초의 결맞음 시간을 대폭 늘려야 한다. 

이들의 양자 컴퓨터 개발사례를 통해 양자 컴퓨터/컴퓨팅의 오늘과 내일을 진단해보고 인사이트를 찾고자 한다. 결론은 양자 컴퓨터/컴퓨팅은 이제 시작이다(this is just the beginning)라는 점이다. 따라서 우리에게도 기회는 있다. 

왼쪽 저온 탱크에 탑재된 Sycamore 그래픽 사진과 오른쪽 Sycamore 프로세서 사진. [ai.googleblog]

3. 53 큐비트로 양자 우위 증명(2019)

연구 방법 및 결과 

구글 AI퀀텀(Google AI Quantum) 연구팀과 산타바바라 캘리포니아대(University of California, Santa Barbara)는 53개(대략 10의 16승, 원래는 54개, 하나는 작동하지 많음)의 양자 중첩(Superposition) 큐비트로 양자 우위(quantum supremacy or quantum advantage)를 달성, 네이처(Nature)에 2019년 10월 논문을 발표했다. 

영하 272.98도(20밀리켈빈, 20mK=0.02K) 초저온 냉장고(cryostat, 저온 유지장치) 속에 담긴 2㎝짜리 칩이 슈퍼컴퓨터도 못 푸는 난제를 풀어냈다. 

이 칩은 구글이 개발한 양자 컴퓨터의 심장으로 불리는 53개의 초전도 큐비트(programmable superconducting qubits) ‘시카모어 프로세서(Sycamore processor)’다. 53큐비트는 이론적으로 2의 53승(10의 16승)에 달하는 양자 상태 경우의 수를 한꺼번에 연산할 수 있는 성능이다. 

구글은 양자 우위를 증명하는 실험, 즉 확률분포(Probability Distribution)를 연산하기 위해 이 칩을 설계했다. 시카모어는 난수(random number, 일정한 규칙 없이 임의로 나타나는 수)를 만든 뒤 이 수가 난수가 맞는지를 증명하는 양자 컴퓨터다.

양자 로직 게이트인 1,113개의 1-큐비트 게이트와 430개의 2-큐비트 게이트로 구성되어 있다. 시카모어로 실험과 측정을 반복하고, 또한 동시에 기존 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션해 양자우위를 비교했다. 

20 사이클을 가진 53큐비트와 기존 슈퍼컴퓨터와 비교(비용과 수행 시간)를 위해 연구팀은 각각 2 vCPUs와 7.5 GB RAM으로 구성된 1,000개로 이루어진 구글 클라우드 컴퓨팅을 이용했다. 

완벽한 충실도의 시뮬레이션을 위해 431×24의 경우의 수를 시뮬레이션할 필요가 있었다. 이때 충실도는 0.2%이고 슈뢰딩거 알고리즘(Schrödinger algorithm)과 슈뢰딩거-파인만 알고리즘(Schrödinger-Feynman algorithm)을 이용했다. 

시뮬레이션 결과 53큐비트 양자 컴퓨터가 200초 안에 연산을 했다. 이는 슈퍼컴퓨터로는 10,000년이 걸리고 비용은 대략 3.1조 달러로 예측됐다. 

이를 주도한(교신저자) 마티니스(John M. Martinis) 그룹의 대학원생인 폭센(Brooks Foxen)은 “전통 슈퍼컴퓨터로 10,000년에 걸쳐 수행해야 하는 연산을 이 양자 컴퓨터는 200초(3분 20초)에 해결했다. 그만큼 개선된 하드웨어와 양자 알고리즘으로 1.5억 배 빨리 처리할 수 있었다”라고 말했다. 

새칭거(Kevin J. Satzinger) 연구원은 “일반적인 컴퓨터로는 불가능한 과제를 찾는 일부터 시작했다”며 “이렇게 찾아낸 슈뢰딩거-파인만 알고리즘을 양자 칩과 기존 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션했다”고 말했다. 

그 결과 난이도를 높여갈수록 양자 컴퓨터는 업무를 잘 수행한 반면 슈퍼컴퓨터에서는 굉장히 속도가 느려지는 것을 확인했다. 다시 말해 큐비트 수가 증가하고, 게이트 사이클 수가 커질수록 슈퍼컴퓨터는 기하급수적으로 느려졌다.

큐비트 수가 증가하고(X-축), 게이트 사이클 수가 높아질수록(Y-축) 슈퍼컴퓨터는 기하급수적으로 느려짐. 사이클 수 20에서 53큐비트는 200초 안에 1백만 개의 확률분포 샘플을 얻었으나 같은 충실도의 슈퍼컴퓨터는 10,000년이 걸림. 따라서 큐비트의 수를 그 이상으로 늘린다면 슈퍼컴퓨터는 따라올 수 없는 양자 우위 영역이(Supremacy regime) 입증. 다시 말해 큐비트의 수가 늘어날수록 슈퍼컴퓨터의 능력은 ‘0’으로 수렴. Image: Google AI Quantum

이번 연구는 20년 전부터 시작됐다. 20년 전에는 큐비트 하나로 양자컴퓨팅을 구현했으나 지금은 54개의 큐비트(하나는 작동하지 않아 53개)인 시카모아 칩과 함께 72 아키텍처로 발전했다. 

연구원들은 직사각형 격자(rectangular lattice)의 2차원 큐비트 배열에서 동시에 연산할 수 있는 빠르고 고-충실도 게이트를 개발했다. 그리고 시카모어 프로세서를 요소 수준과 시스템 수준에서 교정하고 비교를 했는데, 이때 사용한 것이 매우 강력한 교차-엔트로피 벤치마킹(cross-entropy benchmarking) 툴이다. 

이 툴은 결과에 대한 통계학적으로 테스트하고 비교하는 것이다.  즉 전통적인 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 결과와 시카모어 칩 결과를 비교해 양자컴퓨터가 확실히 우위에 있다는 것을 증명하는 것이다. 

시카모어 칩은 구리선으로 초전도 큐비트 보드와 연결하고 주변 온도 에너지를 줄이고 낮은 큐비트 에너지를 위해 희석 냉장고에서 20밀리켈빈(20mK)으로 냉각시켰다. 

Fig.1. 시카모어 프로세서. a. 프로세서의 레이아웃으로 54 큐비트(하나는 작동하지 않아 53, 회색)의 직사각형 배열을 보여주고 있는데, 각각의 큐비트는 근처 4개의 이웃 큐비트들인 88쌍(파란색)과 연결되어 있음. 크기는 20mm(2cm). b. 시카모어 칩의 사진. Image: Arute et al., Nature, 23 Oct 2019

저온유지장치안에서 영하 273.20도로 냉각된 2cm 크기의 시카모어 프로세서. 를 장착한 저온유지장치. Photo Credit: ERIK LUCERO/GOOGLE, INC.

결맞음 시긴(coherence time)은 12마이크로초와 25마이크로초였다. 이는 싱글-큐비트 게이트에서 25나노초와 2-큐비트 게이트에서의 12나노초를 의미한다. 양자 오류(또는 결어긋남 오류)인 측정 오류는 처음에 0.1%를 목표로 했으나 1개-큐비트 게이트에서 0.16%, 2개-큐비트 게이트에서 0.62%였다.

기대

이번 양자우위 달성으로 이는 니스크(NISQ, noisy intermediate scale quantum, 오류 있는 중간 규모 양자 기술) 기술 시대를 앞당길 것으로 기대된다. 양자 컴퓨터 칩 개발은 새로운 컴퓨터 발전 시대로 접어들었다는 의미다. 

1981년 파인만이 제안했고 2018년 양자우위라는 단어를 처음 사용한 존 프레스킬(John Preskill) 미국 캘리포니아 공과대학 물리학부 교수는 양자컴퓨터가 개발되면 니스크 시대가 열린다고 예견했다. 

니스크는 양자컴퓨터 데이터 단위인 큐비트가 1,000개 이상 투입되고, 양자 결맞음(Quantum coherence)이 유지되며, 오류(quantum error or fault) 발생률이 0.001%로 줄어든 결점 없는(defect-free or error-free or fault-free) 결점 내성(fault-tolerance)의 양자컴퓨터를 말한다. 

케빈 새칭거 연구원은 향후 10년 내 이런 획기적 성능을 지닌 양자 컴퓨터의 상용화가 가능할 것으로 내다봤다. 그는 “10년 이내로 1000개의 큐비트를 연결한 양자 컴퓨터를 개발, 상용화할 것”이라며 “신약, 에너지 소재, 전기차 배터리 개발 시간을 더욱 앞당길 수 있다”고 말했다. 

구글 관계자도 “자동차와 비행기용 경량 배터리, 효율적인 비료 생산을 위한 새로운 촉매제, 효과적인 의약품 등 새로운 물질을 고안하는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였다. 

극복해야 할 한계와 도전

○ 결맞음 시긴(coherence time)은 12마이크로초(μs)와 25마이크로초였는데, 이를 밀리초(㎳) 이상으로 늘려야 한다.

○ 양자 오류(또는 결어긋남 오류)인 측정 오류가 싱글-큐비트 게이트에서 0.16%, 두 개-큐비트 게이트에서 0.62%였는데, 이를 0.001%로 줄여야 한다.

○ 양자우위를 입증했으니, 다음은 Harvard-MIT에서 지적했듯이, 실제 세계의 문제들인 빅데이터 분석이나 예측/추천, 머신러닝, 고령화/저출산/식량난/코로나 백신 개발 등등을 큐비트들에 인코딩해서 해결책을 찾아야 한다. 양자 컴퓨터로 무엇을 할 수 있을지, 해결할 수 있는 문제가 무엇인지를 찾는 연구가 필요하다. 

○ 또한 1,000개의 큐비트를 연결한 양자 컴퓨터가 아니라 100만개, 아니 그 이상의 큐비트의 양자 컴퓨터에 도전해야 한다. 따라서 양자 컴퓨팅은 단지 이제 시작일 뿐이다(this is just the beginning). 

○ 구글은 “시카모어가 니스크 시대로 가는 첫발을 겨우 뗀 것뿐”이라고 설명했다. 따라서 구글 혼자서 양자컴퓨터의 모든 것을 개발할 수도 없다는 점을 명확히 했다. 이미 양자우위를 입증한 연구내용과 알고리즘 모두를 공개했다. 소프트웨어 개발 작업에 전 세계 연구자들의 협력이 필요하다는 취지다. 이제는 양자우위가 아니라 양자협력이 중요한 것이다.

연구실 랩 상황

구글 인공지능(AI) 퀀텀팀이 저온유지장치 앞에서 근무하고 있는 모습. Image: Google AI Quantum 

 

아스팩미래기술경영연구소: 차원용 공학박사/김들풀 대표/김철회 수석연구원
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