마이크로소프트 “획기적 이정표”가 현실 양자 컴퓨팅에 가지는 의미

양자 컴퓨팅의 새로운 시대를 열었다는 주장이다. 마이크로소프트와 퀀티넘(Quantinuum)은 물리적 큐비트보다 오류율이 최대 800배 낮은 논리적 큐비트를 선보였다고 최근 주장했다. 이번 발표의 현실적 의미를 살펴본다. 

마이크로소프트가 양자 컴퓨팅 기업 퀀티넘과 협력을 통해 양자 오류 수정(quantum error correction)에 있어 새로운 기록을 달성했다고 발표했다. 이들 기업은 양자 컴퓨팅의 새로운 단계가 마침내 열렸다고 표현했다.
 
마이크로소프트의 고급 양자 개발 담당 부사장인 크리스타 스보어는 기존 양자 컴퓨터의 경우 모두 양자 컴퓨팅의 첫 번째 단계인 '노이즈 중간 규모 양자' 또는 NISQ라고도 하는 기초 수준에 속한다고 말했다. 그는 "이번 발표의 의미는 우리가 레벨 2, 즉 탄력적인 양자 컴퓨팅을 달성했다는 것"이라고 말했다.

즉, 최소 1,000개의 신뢰할 수 있는 논리적 큐비트가 필요한 상업적 수준의 양자 컴퓨팅이 수십 년이 아닌 몇 년 안에 실현될 수 있다는 의미라는 설명이다. 100큐비트를 필요로 하는 과학적으로 유의미한 양자 컴퓨팅은 더 가까워진 셈이다.
 

하드웨어와 소프트웨어 양자 솔루션 비교
현재 양자 컴퓨팅 실용화를 가로막는 주요 과제로는 두 가지가 있다. 단일 컴퓨터가 보유한 양자 비트(큐비트)의 수와 이러한 큐비트의 신뢰성이다. 단일 칩에 더 많은 게이트를 넣고 안정적으로 작동하도록 하는 기존 컴퓨터의 과제와 유사한 측면을 가진다.

더 많은 큐비트가 필요하고 더 안정적인 큐비트가 필요하다는 두 가지 문제는 사실 서로 연관되어 있다. 양자 컴퓨터를 연구하는 대부분의 회사는 동일한 계산을 수행하기 위해 여러 개의 물리적 큐비트를 사용하는 방식으로 신뢰성 문제를 해결한다. 수천 개의 물리적 큐비트를 하나의 논리적 큐비트로 변환하는 것이다. 큐비트는 오류가 발생하기 쉬우므로 하나의 신뢰할 수 있는 논리적 큐비트를 얻으려면 천 개 또는 그 이상이 필요할 수 있어서다. 큐비트를 하나 추가는 것조차도 매우 어려운 셈이다. 이러한 높은 오류율은 양자 컴퓨터 구축에 큰 영향을 미친다.

양자 컴퓨팅 기업들은 이 문제를 물리적 수준과 소프트웨어 측면에서 모두 해결하고 있다. 하드웨어 측면에서는 온도 변동과 진동을 줄이거나 처음부터 더 안정적인 큐비트를 설계하여 오류를 애초에 발생하지 않게 하려고 노력한다. 

또 다른 하드웨어 기반 접근 방식은 물리적 오류 수정 기능을 내장하는 것이다. 올해 초에 3곳의 업체가 이 분야에서 획기적인 발전을 이루었다고 발표했다. 예를 들어, 백업 큐비트를 사용하는 대신 백업 광자, 즉 속이 빈 거울 구 내부에서 튕기는 마이크로파 범위의 사진이나 회로 내부에서 튕기는 사진을 사용하는 방식이었다. 모두 양자 수준에서 백업을 제공하는 큐비트에 연결된다.
 
마이크로소프트의 파트너인 퀀티넘은 다른 컴퓨터보다 물리적 오류율이 낮고, 크기가 작은 내결함성 회로를 가지고 있다고 주장했다. 지난 9월에는 3개의 논리적 큐비트로 내결함성 시스템에서 연산을 수행하는 획기적인 기술을 발표하기도 했다.

3월 5일에는 별도의 발표를 통해 배선 문제도 해결했다고 밝혔다. 양자 컴퓨터에서 각 큐비트에는 많은 수의 제어 신호가 필요하기 때문에 시스템에 큐비트를 추가하는 것이 점점 더 어려워진다. 퀀티늄은 배선을 큐비트당 하나의 디지털 입력과 고정된 수의 아날로그 신호로 줄임으로써 마침내 확장성을 확보할 수 있게 되었다고 전했다.

스보어는 마이크로소프트의 이번 혁신이 해당 하드웨어적 이점을 활용하는 것이라고 전했다. 새로운 오류 수정 알고리즘 외에도 "하드웨어와 소프트웨어 간의 협업"과 "높은 충실도와 연결성을 갖춘 물리적 큐비트를 사용”을 통해 높은 수준의 신뢰성을 달성할 수 있었다는 설명이다.

협업의 결과로 하나의 논리적 큐비트를 생성하는 데 필요한 총 물리적 큐비트 수를 최대 800배까지 줄일 수 있었다고 스보어는 덧붙였다. 양사는 소프트웨어 오류 수정 접근 방식을 ‘탄소 코드’(Carbon code)라고 부른다.

마이크로소프트와 퀀티넘이 양자 컴퓨터에서 소프트웨어 기반 오류 수정 작업을 수행한 최초의 회사는 아니다. IBM과 앨리스앤밥을 비롯한 몇몇 회사는 1990년대부터 주로 통신 개선을 위해 사용되어 온 저밀도 패리티 검사 코드를 사용한 바 있다. 하지만 스코어는 카본 코드의 경우 다르다며 “우리는 카본 코드를 LDPC 코드라고 생각하지 않는다"라고 말했다.

기술적으로 카본 코드는 양자 오류 정정 코드인 칼더뱅크-쇼어-스테인 계열의 안정화 코드라며, "12개의 물리적 큐비트 중 2개의 논리적 큐비트를 인코딩한다"라고 스보어는 설명했다.

옴디아의 수석 양자 애널리스트인 샘 루세로는 이번 발표의 주목할 만한 특징으로 주기의 일부가 아닌 전체 오류 수정 주기를 보여준다는 것을 언급했다. 그는 "내결함성 양자 컴퓨터가 이론적 가능성에 그치지 않고 현실 세계에서 실현될 가능성이 매우 높다"라고 말했다.

가시권에 진입한 양자 발전
일부 양자 컴퓨팅 전문가들은 마이크로소프트와 퀀티넘이 주장한 것만큼 획기적인 발전이 이루어질 수 있을지 의문을 제기한다. 옴디아의 루세로는 "마이크로소프트 스스로도 충실도를 최소 3배 이상 개선해야 한다고 밝혔다”라고 지적했다.

그리고 이 실험은 클리포드 게이트(Clifford gates)만 보여주었을 뿐이라고 그는 말했다. 클리포드 게이트는 일부 유형의 계산만 지원한다. 즉, 마이크로소프트가 시연한 논리적 큐비트는 완전한 범용 컴퓨터로서 충분하지 않다는 평가다. "언젠가는 클리포드 게이트 이외의 기능이 추가되어야 할 것"이라고 그는 말했다. 이 밖에도 논리적 큐비트 4개는 과학적 유용성에 필요한 100개와는 거리가 멀다고 그는 덧붙였다.

적어도 아직까지는 기존의 암호화 방식이 안전하다는 의미다. "쇼의 알고리즘을 실행하여 AES 256비트 암호화를 충분히 파훼하려면 약 2,000개의 논리적 큐비트가 필요할 것"이라고 루세로는 말했다.

글로벌 퀀텀 인텔리전스의 수석 애널리스트인 데이비드 쇼는 마이크로소프트가 관심을 끌기 위해 결과를 골라냈을 가능성을 제기했다. 그는 "효과가 없는 실행 값을 버릴 수 있었을 것이다 따라서 오류 개선이 실제 있는지 확인하려면 눈을 가늘게 뜨고 봐야 한다. 인상적이긴 했지만 눈을 가늘게 뜨고 봐야 한다"라고 말했다. 

다시 말해, 아직 양자 컴퓨팅에 있어 스푸트니크의 순간은 오지 않았다며 그는, "로켓 엔진 점화 테스트 정도에 해당한다. 우주선이 날아오른 것이 아니라, 지상 테스트이다"라고 말했다. 

또 마이크로소프트의 이번 접근 방식이 오류를 억제하기 위해 확장 가능한 방식으로 어떻게 사용될 수 있는지, 또는 범용 양자 게이트에 어떻게 적용될 수 있는지는 아직 명확하지 않다. 쇼는 "좋은 이정표다. 하지만 현장에서의 관건은 대규모 내결함성 시스템을 얼마나 빨리 구축할 수 있느냐는 것이다. 판도를 바꿀 정도가 아니다. 4논리적 큐비트 컴퓨터는 과학적 관심을 끌 수 있고 틈새 애플리케이션이 될 수도 있지만, 범용적이고 널리 사용할 수 있는 애플리케이션이 되지는 못할 것이다"라고 말했다.

다른 회사들은 더 많은 큐비트를 가진 양자 컴퓨터를 개발한 상태다. 하지만 오늘날의 양자 컴퓨팅은 초기 단계이며, 물리적 큐비트를 구축하는 데는 여러 가지 근본적으로 다른 접근 방식이 있다.

셔브룩 대학교의 밥티스트 로이어 교수는 마이크로소프트의 접근 방식은 퀀티넘의 양자 컴퓨팅 하드웨어에 크게 의존하고 있다며 다른 회사들이 이 같은 기술을 당장 도입할 가능성은 높지 않다고 말했다. "물론 그들 이 이론에 영감을 받을 수도 있다”라고 그는 덧붙였다. 

로이어에 따르면, 이번 발표는 오류 수정 코드 외에도 하드웨어, 보정, 제작, 정밀도, 새로운 측정 프로토콜 등 일련의 작은 개선 사항에 힘입은 것이다.  즉 실용적인 양자 컴퓨팅을 원하는 기업, 특히 논리적 큐비트 수가 적은 기업에게 즉각적으로 큰 이점은 없다고 할 수 있다.

그는 "오류 수정을 연구하는 연구자 입장에서는 새로운 테스트 항목이 생겼다. 연구자들에게는 흥미로운 일이다. 일반 대중의 입장에서는 즉각적인 실용적 영향은 없다. 그러나 양자 컴퓨팅이 더 가까워진 것은 분명하다"라고 말했다. ciokr@idg.co.kr