Google의 양자 컴퓨팅 부서는 자사의 Willow 프로세서가 기존 슈퍼컴퓨터가 복제하는 데 약 10,000년이 걸리는 계산적 이정표를 달성하여 4분 이내에 작업을 완료했다고 보고했습니다. 결과는 다음과 같습니다.자연는 Google의 2019년 양자 우월성 시연을 뛰어넘는 상당한 발전을 나타내며, 더 중요하게는 연구자들이 20년 동안 추구해 온 속성, 즉 시스템 확장에 따라 개선되는 오류 수정 기능을 보여줍니다.
이번 발표는 진정한 과학적 중요성을 지닌 것이었습니다. 고전적인 슈퍼컴퓨터가 동일한 문제를 며칠 안에 해결할 수 있다고 주장한 IBM이 즉시 이의를 제기한 2019년 결과와는 달리, Willow 결과는 독립적으로 면밀히 조사되었으며 패권의 여지는 훨씬 더 큽니다. 이번에는 과학계의 반응이 눈에 띄게 덜 회의적이었습니다.
실제로 해결된 것
무작위 회로 샘플링의 변형인 특정 문제는 그 자체로는 직접적으로 유용하지 않습니다. 여기에는 무작위 양자 회로의 출력 분포에서 샘플링하는 작업이 포함됩니다. 이 작업은 기존 컴퓨터에서는 계산적으로 어렵지만 양자 컴퓨터에서는 자연스러운 작업입니다. 이 문제는 이론적으로 잘 이해되어 양자 결과를 검증하고 기존 컴퓨터가 이를 복제하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있기 때문에 정확하게 선택되었습니다.
10,000년이라는 숫자는 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터에서 실행되는 가장 잘 알려진 기존 알고리즘을 나타냅니다. 어떤 기존 알고리즘도 문제를 더 빨리 해결할 수 없다는 주장은 아닙니다. 양자 우위 주장은 항상 가장 잘 알려진 기존 방법과 관련이 있으며 기존 알고리즘은 시간이 지남에 따라 개선됩니다. 그러나 마진은 충분히 커서 전통적으로 이를 마무리하려면 양자 발전 자체와 비슷한 규모의 돌파구가 필요합니다.
더욱 중요한 점은 Willow가 양자 컴퓨터가 포착하지 못했던 핵심 속성, 즉 시스템 규모가 확장됨에 따라 개선되는 오류 수정 기능을 보여주었다는 것입니다. 이전 양자 프로세서는 더 많은 큐비트가 추가됨에 따라 신뢰성이 떨어졌습니다. 오류는 수정할 수 있는 것보다 더 빠르게 축적되었습니다. Willow는 반대 경향을 보입니다. Google이 오류 수정 코드에 더 많은 큐비트를 추가함에 따라 논리적 오류율은 기하급수적으로 감소했습니다. 이는 양자 오류 수정 이론이 예측하는 동작이지만 이전에는 어떤 물리적 시스템도 확실하게 입증한 적이 없습니다.
오류 수정이 진정한 혁신인 이유
이것이 왜 중요한지 이해하려면 양자 컴퓨팅의 근본적인 과제를 이해하는 것이 도움이 됩니다. 양자 비트(큐비트)는 환경 교란에 매우 민감합니다. 열, 전자기 간섭, 심지어 우주선도 오류를 일으킬 수 있습니다. 기존 컴퓨터는 중복성과 오류 수정 코드를 통해 오류를 처리하지만, 양자 상태를 복사할 수 없고(복제 금지 정리) 양자 상태를 측정하면 이를 파괴하기 때문에 동일한 접근 방식을 양자 컴퓨터에 적용하는 것이 훨씬 어렵습니다.
양자 오류 수정은 논리 상태를 직접 측정하지 않고도 오류를 감지하고 수정할 수 있는 방식으로 여러 물리적 큐비트에 걸쳐 단일 논리 큐비트를 인코딩하는 방식으로 작동합니다. 이 이론은 1990년대부터 이해되었지만 실제로 이를 구현하려면 오류율이 임계값 미만인 물리적 큐비트가 필요하며 시스템이 확장됨에 따라 해당 임계값을 유지하는 것이 매우 어려운 것으로 입증되었습니다.
시스템 규모가 커짐에 따라 오류율이 감소한다는 Willow의 시연은 물리적 양자 시스템이 규모에 따른 오류 수정 임계값 아래에서 작동할 수 있다는 최초의 설득력 있는 증거입니다. 이는 내결함성 양자 컴퓨팅이 임박했다는 의미는 아니지만(대부분의 실제 응용 프로그램에서는 오류율이 여전히 너무 높음) 내결함성을 향한 경로가 열려 있음을 보여줍니다. 문제는 더 이상 확장 가능한 양자 오류 수정이 물리적으로 가능한지 여부가 아니라 유용한 계산에 필요한 오류율에 도달하는 데 시간이 얼마나 걸리는지입니다.
암호화에 대한 시사점
암호화 커뮤니티는 양자 컴퓨팅의 발전을 면밀히 관찰해 왔습니다. 충분히 강력한 양자 컴퓨터는 대부분의 인터넷 보안의 기초인 RSA 및 타원 곡선 암호화를 깨뜨릴 수 있기 때문입니다. Willow의 결과는 이러한 대화를 다시 불러일으켰지만 즉각적인 위협은 일부 헤드라인에서 시사하는 것보다 덜 심각합니다.
양자 컴퓨팅 연구소(Institute for Quantum Computing)의 Michele Mosca 박사는 "우리는 아직 거기에 도달하지 못했습니다."라고 말했습니다. "그러나 오늘의 결과는 암호화 관련 양자 컴퓨팅의 일정을 진지하게 받아들여야 한다는 분명한 신호입니다. 아직 포스트 양자 암호화로 마이그레이션을 시작하지 않은 조직은 지금 시작해야 합니다."
가장 일반적인 암호화 표준인 RSA-2048을 깨려면 수백만 개의 논리적 큐비트를 갖춘 내결함성 양자 컴퓨터가 필요합니다. Willow에는 105개의 물리적 큐비트가 있습니다. 그 격차는 엄청납니다. 그러나 확장 가능한 오류 수정의 시연은 격차가 이제 기본 물리학이 아닌 공학의 문제라는 것을 의미합니다. 2024년에 확정된 NIST 포스트 양자 암호화 표준은 조직이 따라야 하는 마이그레이션 경로를 제공하며, Willow 결과는 긴급성을 입증하는 설득력 있는 주장입니다.
가장 취약한 시스템은 데이터 수명이 긴 시스템입니다. 오늘날 가로채는 암호화된 데이터는 나중에 양자 컴퓨터가 충분히 강력해지면 저장하고 해독할 수 있습니다. 정보 기관과 적대적인 국가는 "지금 수확하고 나중에 해독"이라는 전략을 정확히 수행하고 있음이 거의 확실합니다. 10년 이상 기밀을 유지해야 하는 데이터의 경우 포스트퀀텀 암호화로의 마이그레이션은 선택 사항이 아닙니다.
약물 발견 및 분자 시뮬레이션
보다 즉각적으로 유망한 응용 분야는 분자 시뮬레이션입니다. 양자 컴퓨터는 분자의 동작을 포함하여 양자 역학 시스템을 모델링하는 데 자연스럽게 적합합니다. 정확한 분자 시뮬레이션은 연구자들이 단일 분자를 합성하기 전에 컴퓨터를 통해 잠재적인 약물 후보를 테스트할 수 있도록 함으로써 약물 발견을 극적으로 가속화할 수 있습니다.
현재의 고전 컴퓨터는 최대 약 50개의 원자까지 분자를 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 그 외에도 계산 복잡성이 기하급수적으로 증가하고 근사치가 필요해집니다. 단백질, 효소, 약물 표적 등 가장 중요한 생물학적 분자 중 다수는 이 한계보다 훨씬 큽니다. 내결함성 양자 컴퓨터는 이러한 분자를 정확하게 시뮬레이션하여 기존 방법이 완전히 놓칠 수 있는 약물 후보를 잠재적으로 식별할 수 있습니다.
이 애플리케이션의 타임라인은 암호화 위협보다 깁니다. 분자 시뮬레이션에는 수천 개의 논리적 큐비트를 갖춘 내결함성 양자 컴퓨터가 필요합니다. 아직 몇 년이 걸립니다. 그러나 Roche, Pfizer, Merck를 포함한 제약 회사는 이미 양자 컴퓨팅 연구에 투자하고 있으며 기술이 성숙해지면 이를 활용할 수 있는 입지를 마련하고 있습니다.
재료 과학 및 기후 응용
약물 발견 외에도 양자 시뮬레이션은 재료 과학을 변화시킬 수 있습니다. 전 세계 에너지 소비의 약 2%를 차지하는 비료를 생산하는 Haber-Bosch 공정을 포함하여 산업용 화학 공정을 위한 더 나은 촉매를 설계하면 엄청난 경제적, 환경적 영향을 미칠 수 있습니다. 더 나은 태양전지 재료, 더 나은 배터리 화학, 더 나은 초전도체를 설계하는 것은 모두 양자 시뮬레이션이 가속화할 수 있는 문제입니다.
기후에 미치는 영향은 잠재적으로 중요합니다. 차세대 태양전지, 상온 초전도체, 녹색 수소 생산을 위한 향상된 전해조 등 가장 중요한 청정 에너지 기술 중 다수는 정확한 양자 역학적 특성을 지닌 재료를 설계할 수 없기 때문에 제한됩니다. 양자 컴퓨터는 이러한 제한을 제거할 수 있습니다.
경쟁 환경
유용한 양자 컴퓨터를 구축하는 경쟁에서 Google만이 혼자가 아닙니다. IBM은 2033년까지 100,000개의 물리적 큐비트를 목표로 하는 자체 로드맵을 가지고 있습니다. Microsoft는 이론적으로 오류에 더 강한 토폴로지 큐비트를 사용하여 근본적으로 다른 접근 방식을 추구하고 있습니다. IonQ와 Quantinuum은 초전도 큐비트보다 오류율은 낮지만 확장이 어려운 이온 트랩 양자 컴퓨터를 구축하고 있습니다. 중국 과학기술대학교를 중심으로 한 중국의 양자 컴퓨팅 프로그램이 그 자체로 우월한 결과를 보여주었습니다.
접근 방식의 다양성은 어떤 물리적 플랫폼이 궁극적으로 내결함성 양자 컴퓨팅에 가장 실용적인 것으로 입증될지에 대한 진정한 불확실성을 반영합니다. 각 접근 방식에는 큐비트 품질, 확장성 및 작동 조건 간에 서로 다른 장단점이 있습니다. 이 분야는 아직 승리 플랫폼이 확실하지 않을 만큼 초기 단계입니다.
다음은 무엇입니까
Google의 로드맵에서는 10년 말까지 실제 응용 프로그램에 대해 충분히 낮은 오류율로 실용적인 알고리즘을 실행할 수 있는 내결함성 양자 컴퓨터를 요구합니다. 해당 타임라인이 유지되는지 여부는 오류 수정, 큐비트 품질 및 양자 프로세서를 관리하는 기존 제어 시스템의 지속적인 진행에 따라 달라집니다.
Willow 결과는 마케팅 발표가 아닌 진정한 이정표입니다. 이는 확장 가능한 양자 오류 수정의 기본 물리학이 이론이 예측한 대로 작동함을 보여줍니다. 남아있는 엔지니어링 과제는 엄청나지만 이는 지속적인 투자와 노력을 통해 얻을 수 있는 엔지니어링 과제입니다. 실질적으로 유용한 양자컴퓨팅의 시대가 지난주보다 가까워졌습니다.