구글이 양자컴퓨터의 복잡한 계산에 필요한 특수 양자 상태를 한층 높은 정확도로 만드는 데 성공했다. 새로운 오류 정정 기술을 적용해 오류를 약 40분의 1로 줄였고, 실제 양자칩에서도 이 기술이 작동한다는 사실을 확인했다. 대규모 양자컴퓨터 구현에 필요한 하드웨어 부담을 덜 수 있는 성과로 평가된다.
구글 퀀텀 AI는 15일(현지시간) 자체 개발한 양자 프로세서 ‘윌로우(Willow)’에서 ‘매직 스테이트 배양(Magic State Cultivation)’ 기술을 구현했다고 발표했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 게재됐다.
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로 처리하기 어려운 복잡한 계산을 수행할 잠재력이 있지만, 계산 중 오류가 쉽게 발생한다. 이를 해결하기 위해 여러 양자비트(큐비트)를 묶어 정보를 보호하는 오류 정정 기술을 사용한다.
하지만 오류 정정 기술만으로 모든 계산을 수행할 수 있는 것은 아니다. 복잡한 계산에는 ‘매직 스테이트(Magic State)’라는 특수한 양자 상태가 필요하다. 양자컴퓨터가 고난도 연산을 수행하는 데 꼭 필요한 자원이다.
문제는 매직 스테이트를 만드는 데 상당한 자원이 든다는 것이다. 한 번 사용한 상태는 다시 쓸 수 없어 새로 만들어야 하고, 생성 과정에서도 오류가 생긴다. 구글에 따르면 기존 방식으로 대규모 양자컴퓨터를 구축할 경우 전체 연산 자원의 최대 95%를 매직 스테이트 생성에 써야 한다는 추산도 있다. 실제 계산보다 계산을 준비하는 작업에 훨씬 많은 자원이 필요할 수 있다는 뜻이다.
기존에는 오류가 있는 매직 스테이트 여러 개를 모아, 더 적은 수의 정확도 높은 상태를 만드는 ‘증류(Distillation)’ 방식을 사용했다. 구글의 새 기술은 하나의 상태를 단계적으로 개선하고, 오류가 발견된 시도는 폐기한다. 연구진은 이 방식으로 필요한 하드웨어 자원을 줄일 수 있다고 설명했다.
연구진이 윌로우 칩에서 새 기술을 시험한 결과, 기술을 적용하지 않았을 때와 비교해 오류율이 약 40분의 1로 낮아졌다. 특정 매직 스테이트인 ‘T-상태(T-state)’는 목표 양자 상태와의 일치도가 99.99%에 달했다.
이 결과가 양자컴퓨터 전체의 오류가 40분의 1로 줄었다는 뜻은 아니다. 복잡한 양자 연산에 필요한 특정 상태를 높은 정확도로 만드는 데 성공했다는 의미다.
연구진은 이렇게 만든 상태를 다른 오류 정정 구조로 옮기는 실험에도 성공했다. 특수한 양자 상태를 생성하는 데서 나아가, 앞으로 이를 실제 계산 과정과 연결할 가능성도 확인한 것이다.
다만 실용화까지는 과제가 남아 있다. 가장 엄격한 실험에서는 오류 검사를 통과한 시도가 약 8%에 그쳤다. 정확도 높은 결과를 얻으려면 많은 시도를 폐기해야 했고, 상태를 다른 오류 정정 구조로 옮기는 과정에서도 추가 오류가 발생했다.
이번 연구는 2024년 제안된 매직 스테이트 배양 기술이 이론적 가능성에 그치지 않고 실제 양자 프로세서에서 작동한다는 사실을 처음 입증했다는 데 의미가 있다.
구글 연구진은 “실용적인 양자컴퓨팅을 위해서는 매직 스테이트 배양을 더 큰 규모에서 입증해야 하며, 해결해야 할 기술적 과제도 많이 남아 있다”며 “하지만 이번 성과는 핵심적인 이론적 아이디어를 실험적으로 입증한 것”이라고 밝혔다.