Caltech의 ‘오셀롯’이 양자 컴퓨팅에서 최신 오류 억제 진전이 되다

지난 해, McKinsey & Company 포괄적인 보고서를 발표했습니다 양자 컴퓨팅의 미래 궤적을 제시했습니다. 이 보고서는 야심 차게 ‘The Rise of Quantum Computing’ 이라는 이름을 붙였습니다. 그러나 그 야망은 근거가 없지 않았습니다.

McKinsey는 양자 컴퓨팅으로 가는 여정이 기술 혁신 속도의 가속, 투자 흐름의 증가, 그리고 스타트업 생태계의 확산에 의해 추진되고 있다고 밝혔습니다.

이 모든 요인은 기업 리더들이 견고한 양자 컴퓨팅 전략을 계획하도록 만들었습니다. 최신 McKinsey 분석에 따르면, 세 번째 연례 Quantum Technology Monitor에서 화학, 생명과학, 금융, 모빌리티 네 개 부문이 양자 컴퓨팅으로부터 가장 빠른 영향을 받을 것이며 2035년까지 최대 2조 달러의 가치를 창출할 수 있다고 합니다.

McKinsey가 상상하는 양자 컴퓨팅의 성장을 위해서는 번성하는 혁신 생태계가 필요합니다. 이와 관련된 가장 최첨단 돌파구 중 하나에서, Caltech 캠퍼스에 위치한 AWS Quantum Computing Center¹는 양자 컴퓨터의 오류를 억제하는 방법을 찾아냈습니다—이는 미래형 양자 기계 구축에 가장 큰 장애물이 될 수 있는 문제였습니다.

‘문제’는 무엇이었나요?

노이즈에 대한 고유한 민감성 때문에 물리학의 특정 분야를 연구하는 수준을 넘어서는 범용 양자 컴퓨터를 구축하는 것은 여전히 도전 과제입니다. 연구자들은 진동, 열, 휴대폰 및 Wi‑Fi 네트워크에서 발생하는 전자기 간섭, 심지어 우주에서 오는 우주선 및 방사선까지 모두가 큐비트(양자 비트)를 방해하여 양자 상태에서 벗어나게 하고, 고전 컴퓨터보다 훨씬 많은 오류를 일으킬 수 있음을 발견했습니다.

보다 과학적으로 정확히 설명하면, ‘Hardware‑Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’라는 연구는 양자 오류 정정을 포함하는 양자 컴퓨터 구축을 목표로 합니다. 이는 많은 잡음이 있는 물리적 큐비트에 논리 큐비트를 중복 인코딩하는 방식을 사용합니다.

오셀롯: 해결책

쉽게 말해, AWS와 Caltech의 과학자 팀은 고양이 큐비트(cat qubit)라는 유형의 큐비트를 이용해 오류를 억제하는 새로운 양자 칩 아키텍처를 시연했습니다.

고양이 큐비트 자체는 새로운 개념이 아니며, 2001년에 처음 제안되었습니다. 그 이후로 연구자들은 지속적으로 이를 개발하고 정교화해 왔습니다. 팀이 이룬 돌파구는 첫 번째 확장 가능한 고양이 큐비트 칩을 만든 것이었으며, 이는 양자 오류를 효율적으로 감소시키도록 설계되었습니다. 이 칩은 반점이 있는 야생 고양이인 ‘오셀롯(Ocelot)’의 이름을 따서 명명되었으며, 고양이 큐비트의 기반이 되는 내부 “오실레이터(oscillator)” 기술을 동시에 의미합니다.

연구자들에 따르면, 오류율은 현재보다 10억 배 정도 개선되어야 양자 컴퓨터를 성공적인 것으로 부를 수 있습니다. 그때 비로소 목표에 더 빨리 도달할 수 있게 됩니다:

Oskar Painter (PhD’ 01) 교수는 이렇게 말했습니다: “오류율은 매 2년마다 약 절반으로 감소하고 있습니다. 이 추세대로라면 우리가 필요로 하는 수준에 도달하는 데 70년이 걸릴 것입니다. 대신 우리는 더 빠르게 도달할 수 있는 새로운 칩 아키텍처를 개발하고 있습니다. 물론 이것은 초기 단계의 빌딩 블록이며, 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다.”

연구진은 현재의 큐비트 기술이 수천 개의 추가 큐비트를 필요로 하여 원하는 수준의 오류 방어를 제공한다는 단점을 강조했습니다. 이는 마치 신문사가 방대한 사실 확인 팀을 두어 기사 정확성을 검증하는 것과 비슷합니다. 이러한 과도한 오버헤드 비용 때문에 프로세스가 무너질 위험이 있습니다.

Caltech의 이론 물리학 Bren 교수이자 AWS 적용 과학 담당 이사인 Fernando Brandão는 이 문제를 인정하며 이렇게 말했습니다:

“따라서 우리는 오버헤드를 줄일 수 있는 새로운 오류 정정 접근법을 시도하고 있습니다.”

오셀롯의 기반이 되는 오실레이션 기술

팀은 마이크로파 오실레이터로 만든 초전도 회로를 이용해 큐비트를 형성합니다. 여기서 1과 0 상태는 두 개의 뚜렷한 대규모 진동 진폭으로 정의됩니다. 이 접근법은 큐비트 상태를 안정화하고 비트 플립 오류에 강하도록 설계되었습니다.

비트 플립 오류가 해결되면 남는 오류는 위상 플립 오류입니다. 위상 오류를 감지하기 위해 오셀롯 칩은 네 개의 보조 큐비트를 배치합니다.

팀이 사용한 단순 반복 코드는 위상 플립 오류를 포착하는 데 효과적이며, 고양이 큐비트를 세 개에서 다섯 개로 늘릴수록 오류 검출 능력이 향상됩니다.

연구의 향후 방향

현재 시연은 개념 증명 단계에 머물러 있습니다. 그러나 Painter와 같은 연구자들은 오셀롯이 보여준 성능에 큰 기대를 걸고 있습니다. 그는 이렇게 말했습니다:

“이 문제는 매우 어려운 과제이며, 우리는 학계에서 진행되는 중요한 연구와 연결을 유지하면서 기본 연구에 지속적으로 투자해야 합니다.”

Painter가 언급했듯이, 이러한 개선에는 기업 후원이 필요합니다. 규모를 확대하려면 투자가 필수적입니다. 다음 섹션에서는 양자 컴퓨팅 분야에서 의미 있는 작업을 수행하고 있는 몇몇 기업을 살펴보겠습니다.

1. IBM (IBM )

전 세계적으로 존경받는 기술 대기업 IBM은 양자 컴퓨팅을 실용화하는 데 전념하고 있습니다. IBM Quantum이라는 전용 부서를 운영하며, Qiskit이라는 플랫폼을 통해 세계 최대 규모의 양자 컴퓨팅 플릿에 접근할 수 있게 합니다. Qiskit은 유틸리티를 위한 전체적인 프로그래밍 모델을 제공하는 소프트웨어 도구와 서비스를 포함합니다.

예를 들어 IBM의 QuantumSafe는 기업이 양자 미래에 대비하도록 돕고, 127‑큐비트 시스템을 무료로 제공합니다. 또한 이 플랫폼은 시스템, 문서, 학습 자료에 한 곳에서 접근할 수 있게 합니다.

IBM은 양자 컴퓨팅의 책임성을 확보하기 위해 노력하고 있습니다. 이와 관련된 회사의 사명 선언문은 “세상을 더 나은 방향으로 만들기 위한 촉매가 된다”는 것이며, 이를 위해 Responsible Quantum Initiative를 운영하여 개발이 해당 사명에 부합하도록 하고 있습니다.

IBM에 따르면, 책임 있는 양자 컴퓨팅은 그 영향력을 인식하는 양자 컴퓨팅을 의미합니다. 회사는 내부적으로 따르는 다섯 가지 Responsible Quantum Principles를 마련했습니다:

• 긍정적인 사회적 영향을 창출한다.
• 예측 가능한 사용 사례를 탐색한다.
• IBM 제품을 정확하게 홍보한다.
• 일관되고 원칙적인 결정을 내린다.
• 다양하고 포용적인 양자 커뮤니티를 구축한다.

IBM Quantum™ 로드맵에 따라 꾸준히 진전하고 있는 IBM은 기업용 클라우드 서비스를 제공하기 위해 양자 플랫폼을 업그레이드하고 있습니다.

구체적으로는 엔터프라이즈급 인프라를 도입하고 있습니다. 그러나 기존 사용자의 연속성을 위해 새로운 IBM Quantum Platform의 최종 버전은 현재 사용 중인 버전과 매우 유사하게 유지될 예정입니다.

회사는 기존에 제공하던 문서와 학습 자료에 대한 접근성을 지속 보장할 것입니다. 다만 업그레이드로 인해 성능과 기능이 크게 향상될 것입니다.

특정 기능 중에는 향상된 데이터 프라이버시와 보안, 간소화된 알림 경험, 개선된 플랫폼 탐색, 영어 외 다국어 지원 등이 포함됩니다.

공공 접근성을 높이기 위해 IBM은 Quantum Network를 구축했습니다. 이 네트워크는 기업, 대학, 연구소, 산업 리더가 양자 유틸리티를 발전시키는 여정을 지원합니다. 회원은 학습 자료, 전문가, 이벤트에 접근해 연구를 가속화하고 협업을 촉진할 수 있습니다.

최근 회계연도에 IBM은 매출 628억 달러를 기록했으며, 이는 전년 대비 1% 증가하고, 고정 환율 기준으로는 3% 상승했습니다.

결과에 대해 IBM 회장 겸 사장 겸 CEO인 Arvind Krishna는 다음과 같이 말했습니다:

“3년 전, 우리는 더 빠르게 성장하고 더 수익성 있는 IBM을 위한 비전을 제시했습니다. IBM 팀이 우리의 약속을 충족하거나 초과 달성한 것에 자부심을 느낍니다. 집중된 전략, 강화된 포트폴리오, 혁신 문화 덕분에 우리는 2025년과 그 이후에도 좋은 위치에 있으며, 올해 매출 성장률 최소 5%와 약 135억 달러의 자유 현금 흐름을 기대합니다.”

2. Microsoft (MSFT )

양자 컴퓨팅 분야에서 선구적인 작업을 수행하고 있는 또 다른 기술 대기업은 Microsoft입니다. Microsoft의 비전은 최첨단 기술을 활용해 과학적 발견을 가속화하는 것입니다.

Microsoft는 다음 네 가지 양자 솔루션을 제공하고 있습니다:

• Microsoft Quantum Compute Platform: 차세대 양자 애플리케이션을 가능하게 하는 플랫폼.
• Azure Quantum Elements: 과학적 발견을 가속화하기 위해 설계된 전용 솔루션.
• Quantum Hardware: 확장 가능한 양자 슈퍼컴퓨터를 구현하기 위한 솔루션.
• Quantum Networking: 양자 네트워크를 통한 분산 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 솔루션.

사용자 관점에서 보면, 각 솔루션은 서로 다른 서비스를 제공합니다. 예를 들어 Microsoft Quantum Compute 플랫폼을 통해 최첨단 양자 하드웨어, 신뢰할 수 있는 논리 큐비트, 고급 AI 모델, HPC 시뮬레이션 등에 접근해 과학적 발견을 가속화할 수 있습니다.

Azure Quantum Elements 솔루션은 고성능 컴퓨팅, 인공지능, 미래 양자 컴퓨터를 활용해 화학 및 재료 과학 분야의 과학적 발견을 가속화합니다.

Microsoft Quantum Hardware를 통해 회사는 기후 변화 역전, 식량 안보 개선 등 인류가 직면한 대규모 문제를 해결할 수 있는 양자 슈퍼컴퓨터를 설계하고 있습니다.

마지막으로 Microsoft Quantum Networking은 양자 클러스터를 확장하고 새로운 보안 관련 애플리케이션을 제공하기 위한 양자 네트워킹 기능을 제공하는 것을 목표로 합니다.

Microsoft Quantum Hardware를 자세히 살펴보면, 이는 측정 전용 양자 컴퓨팅이라는 근본적으로 더 단순한 방식으로 양자 정보를 제어하는 혁신적인 접근법입니다.

Topological Core를 기반으로 한 Microsoft의 프로세서는 백만 개 이상의 큐비트를 확장하도록 설계되어, 에너지, 의학 등 인류가 직면한 가장 어려운 과제들을 해결할 수 있는 충분한 컴퓨팅 파워를 제공합니다.

이와 관련해 Microsoft는 Nature에 ‘Interferometric Single‑Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices’라는 논문을 발표했습니다.

전반적으로 Microsoft Quantum Hardware는 다음과 같은 기본 원칙 위에 서 있습니다:

• 확장성: 유용한 양자 컴퓨팅을 가능하게 설계되었습니다.
• 안정성: 하드웨어 수준에서 오류에 강합니다.
• 소형화: 하나의 칩에 백만 개 이상의 큐비트를 탑재할 수 있습니다.
• 고속성: 작업당 1 마이크로초 미만이 소요됩니다.
• 제어 가능성: 전압 펄스를 통해 정밀한 디지털 제어가 가능합니다.

Azure Quantum Elements의 핵심 기능을 살펴보면, 생성형 화학은 생성형 AI의 힘을 활용해 원하는 특성을 가진 새로운 분자를 설계하고 발견하는 과정을 크게 단순화합니다. 가속된 DFT 기능은 수천 개 원자를 가진 분자의 특성을 몇 시간 안에 결정해, 기존 DFT 코드에 비해 속도를 크게 높입니다.

또한 개방형 생태계는 Azure Quantum Elements에 최적화된 친숙한 소프트웨어 솔루션을 활용할 수 있게 돕습니다.

Microsoft의 Azure Quantum Elements는 여러 연구 기관과 기업이 미래 솔루션을 제공하도록 지원했습니다. 예를 들어 Unilever는 Microsoft의 슈퍼컴퓨팅 및 AI 서비스를 활용해 R&D 전환과 제품 혁신을 지원했습니다.

Microsoft와 Pacific Northwest National Laboratory는 더 나은 배터리를 위한 새로운 소재를 공동으로 발굴했습니다. 또한 AspenTech과 협력해 양자 화학 워크플로우를 설계했으며, Johnson Matthey와 손잡고 Azure Quantum을 통해 수소 연료전지 혁신을 가속화했습니다.

Microsoft와 1910 Genetics는 제약 산업의 R&D 생산성을 급증시키기 위해 협력했으며, InQuanto와는 양자 계산 화학을 가속화했습니다. 전반적으로 Microsoft는 양자 컴퓨팅이 견고하고 효율적인 미래에 실질적으로 활용될 수 있도록 보여주는 핵심 역할을 수행했습니다.

2024년, Microsoft는 설립 50주년을 맞이했습니다. 연간 매출 2450억 달러 이상을 기록했으며 전년 대비 16% 성장했고, 영업 이익은 1090억 달러 이상으로 24% 증가했습니다. 회사는 클라우드 컴퓨팅의 미래와 양자 컴퓨팅, 고급 AI for Science 등 변혁적인 잠재력을 가진 기술 제품 및 지원 솔루션을 인큐베이팅하는 데 집중하고 있다고 명시했습니다.

대형 기술 기업들이 최선을 다하고 있는 가운데, 기관 연구도 뒤처지지 않고 있습니다. 우리는 앞서 소개한 획기적인 연구를 시작으로, 몇 가지 추가 연구를 통해 마무리하겠습니다.

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양자 컴퓨팅 연구에 대한 추가 정보

Google Quantum AI와 협력자들은 2024년 12월 Nature에 ‘Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold’라는 제목의 연구를 발표했습니다.²

이 연구는 양자 오류 정정이라는 핵심 과제를 다루며, 이는 실용적인 양자 컴퓨팅을 위한 중요한 경로입니다. 여러 물리적 큐비트를 하나의 논리 큐비트로 결합함으로써, 큐비트 수가 늘어날수록 논리 오류율을 기하급수적으로 억제합니다.

그 결과, 연구진은 최신 초전도 프로세서인 Willow의 두 가지 서피스 코드 메모리를 소개했으며, 하나는 거리‑7 코드, 다른 하나는 실시간 디코더와 통합된 거리‑5 코드입니다.

결과는 의미가 깊었습니다. 시스템은 실시간 디코딩 시에도 서피스 코드 임계값 이하의 성능을 유지했으며, 거리‑5에서 백만 사이클까지 평균 디코더 지연시간 63 마이크로초, 사이클 시간 1.1 마이크로초를 달성했습니다. 연구진은 이러한 결과가 규모를 확대한다면 대규모 오류‑내성 양자 알고리즘의 운영 요구사항을 충족시킬 수 있다고 주장했습니다.

2022년, 오류 정정에 계속 초점을 맞춘 IBM 연구진은 gross 코드라는 새로운 유형의 코드를 탐구했습니다. 이 코드는 하드웨어 오버헤드를 크게 줄이면서 오류‑없는 방식으로 양자 정보를 저장할 수 있습니다.

Nature에 발표된 논문에서 IBM은 낮은 큐비트 오버헤드, 높은 오류 임계값, 큰 코드 거리 등을 갖춘 오류‑내성 양자 메모리를 목표로 했으며, 이러한 조건을 만족하는 qLDPC 코드의 구체적인 예시를 제시했습니다.

IBM은 이 코드를 “Bivariate Bicycle (BB)” 코드군에 속한다고 밝혔으며, 이는 앞으로 IBM의 연구 방향뿐 아니라 물리적 양자 시스템 설계에도 큰 영향을 미칠 것이라고 설명했습니다.

전반적으로 양자 우위에 접근하기 위한 꾸준한 진전이 가능할 여지는 충분합니다. 2023년 전 세계 공공 투자액은 420억 달러에 달했으며, 그 중 중국이 153억 달러의 정부 투자로 가장 앞섰습니다.

그 뒤를 독일, 영국, 미국, 한국 등이 잇고 있습니다. 기술 선진국들이 양자 컴퓨팅 및 관련 기술에 더 많은 투자를 하고 있다는 사실은 그 잠재력이 거대함을 증명합니다. 지금 우리가 보는 현상은 빙산의 일각에 불과할지도 모릅니다.

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