By TOM SIMONITE, WIRED US

2019년, 구글이 양자컴퓨터 시제품을 선보이면서 세계적으로 찬사를 받았다. 구글 연구원이 슈퍼컴퓨터를 활용하면 1만여 년이 걸릴 것으로 예측한 계산을 양자컴퓨터 시제품으로 단 몇 분 만에 완료했기 때문이다. 구글의 양자컴퓨터 시제품은 양자 기계가 기존의 컴퓨터로는 불가능한 작업을 할 수 있다는 ‘양자 우위’라는 개념을 충족했다.

12월 3일, 중국의 주요 양자 연구팀이 사이언스 저널을 게재하며 양자 우위를 선언했다. ‘지우장(Jiuzhang)’이라는 시스템으로 세계에서 세 번째로 가장 뛰어난 성능을 자랑하는 슈퍼컴퓨터가 20억 년에 걸쳐 완료할 수 있는 계산을 단 몇 분 만에 완료했다.

구글의 양자컴퓨터 시제품과 지우장은 다른 방식으로 작동된다. 구글은 극저온에 초전도 금속을 이용해 양자 서킷을 만들었다. 반면, 허페이의 중국과학기술대학교 연구팀이 선보인 지우장은 광자와 빛의 입자를 조작해 결과를 기록했다.

지금까지 개발된 양자컴퓨터 중 유용한 작업을 할 준비가 된 제품은 없다. 그러나 두 가지 다른 형태의 기술이 적용된 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는다는 사실은 초기 단계인 양자컴퓨터 업계가 높은 수준을 유지할 수 있다는 점을 시사한다. 지우장 프로젝트에 참여한 중국과학기술대학교 물리학 교수인 루차오양(Chao-Yang Lu)은 지우장이 가져온 중요한 변환점은 대규모로 오류를 용납하던 양자컴퓨터에 꼭 필요한 단계라고 언급했다.

구글과 구글의 경쟁사 IBM, 마이크로소프트, 아마존, 인텔, 그리고 일부 대규모 스타트업 등이 최근 몇 년간 양자컴퓨터 하드웨어 개발에 막대한 비용을 지출했다. 구글과 IBM은 인터넷으로 가장 최근에 개발한 양자컴퓨터 시제품 정보에 접근할 수 있도록 했다. 반면, 마이크로소프트와 아마존의 클라우드 플랫폼은 각각 허니웰(Honeywell)을 포함한 다른 기업의 다양한 양자 하드웨어 시제품을 제공한다.
 
양자컴퓨터의 잠재적인 능력은 큐빗이라는 기본적인 블록 구축 과정에서부터 시작된다. 기존 컴퓨터의 비트처럼 데이터에서 0이나 1을 나타낸다. 그러나 큐빗은 양자 역학을 최대한 활용해, 0이나 1을 나타낼 가능성을 모두 압축하는 중첩이라는 특이한 상태를 얻는다. 큐빗이 충분히 있다면, 기존 컴퓨터가 할 수 없는 계산 속도 단축이 가능해진다. 이는 더 많은 큐빗이 함께 작동할수록 커지는 장점이다.

양자컴퓨터에는 아직 세계 표준 규정이 없다. 엔지니어들이 충분히 신뢰할 수 있는 수준으로 함께 작동할 수 있는 충분한 큐빗을 얻을 수 없기 때문이다. 엔지니어들이 의존하는 양자 역학 효과는 매우 신중하게 다루어야 한다. 구글과 중국과학기술대학교 연구팀이 양자 우위를 선보일 수 있었던 이유는 상대적으로 많은 큐빗을 양자컴퓨터 내에 겨우 모아서 넣었기 때문이다.

구글은 큐빗 54개로 구성된 시카모어(Sycamore)라는 초전도 칩을 사용해, 켈빈 0도 이하에서 큐빗을 냉각시켰다. 큐빗 하나가 실행되지 않아도 나머지 큐빗 53개가 있기 때문에 신중하게 고른 통계 문제 계산 능력에서 기존 컴퓨터보다 충분히 우위를 입증할 수 있다. 얼마나 우수한 큐빗이 있어야 양자컴퓨터가 유용한 작업을 할 수 있는지 확실하지 않다. 전문가의 예측 범위는 수백 개에서 수백만 개로 다양하다.

중국과학기술대학교 연구팀도 통계 테스트를 이용해 양자 우위를 지지했다. 그러나 연구팀의 양자 데이터는 거울에 이끌려 연구실 의자에 놓여있는 광학 서킷을 돌아다니는 광자의 형태로 작업을 수행한다. 과정이 끝날 때 판독되는 각각의 광자는 구글과 같은 프로세서에서 큐빗을 판독해 계산 값을 보여주는 것과 거의 비슷하다고 생각할 수 있다.

연구팀은 지우장에 있는 무려 76개의 광자를 측정했지만, 평균적으로 측정한 광자의 개수는 그보다 적은 43개라고 밝혔다. 코드를 작성한 연구진은 중국의 가장 강력한 슈퍼컴퓨터이자 세계에서 세 번째로 빠른 슈퍼컴퓨터 선웨이 타이후라이트(Sunway TaihuLight)를 사용해 양자 시스템의 작업을 시뮬레이션했다. 연구팀이 슈퍼컴퓨터에서 완료되기까지 20억 년이 넘게 걸릴 것으로 추산한 작업을 지우장에서는 불과 3분이 약간 넘는 시간에 완료했다.

중국과학기술대학교 연구팀의 연구는 판지안웨이(Jian-Wei Pan) 박사가 이끌었다. 중국과학기술대학교 연구팀의 상당한 규모의 연구팀은 양자 기술에서 더욱 두각을 드러내고자 하는 중국 정부의 노력의 혜택을 받았다. 연구팀의 성과에는 중국과 호주 간의 화상 통화 확보를 위해 양자 통신용으로 특수 설계된 위성을 포함해 기록적으로 먼 거리를 넘어 양자 암호화 사용을 입증한 사실도 있다. 양자 역학에 뿌리를 둔 암호화는 이론적으로 보안을 해칠 수 없지만, 실제로는 여전히 암호화된 보안이 저해될 수 있다.
지우장과 구글의 시카모어의 차이점은 다른 계산을 실행하기 위해 광 기반 양자컴퓨터 프로그램 재구성이 쉽지 않다는 점이다. 광 기반 양자컴퓨터의 설정은 광학 서킷에 효과적으로 하드코딩됐다. 광 기반 양자컴퓨터 개발 작업을 하는 캐나다 토론토 양자 컴퓨터 스타트업인 제너두(XANADU) 공동 창립자 겸 CEO인 크리스티안 위드브룩(Christian Weedbrook)은 판 박사 연구팀의 연구 결과는 작업을 처리하는 양자의 수를 성공적으로 만드는 법이 다양하다는 점을 상기시켜준다는 점에서 주목할 만하다고 말한다. 그는 “광 기반 양자컴퓨터에 중요한 순간이기도 하지만, 우리 모두에게도 좋은 소식이다”라고 말했다.

학계와 업계에서는 일부 다른 형태의 양자 하드웨어를 개발하고 있다. 초전도 서킷에 기반을 두고 있는 글로벌 양자컴퓨터 개발 기업 큐빗츠(Qubits)가 가장 유명하다. 그 부분적인 이유는 구글과 IBM이 대대적으로 투자한 덕분이다. 전기장에 떠 있는 각각의 원소를 기반으로 한 큐빗으로 양자컴퓨터를 구성하는 이온 트랩 방식은 양자컴퓨터 업계 대기업 허니웰(Honeywell)과 이온큐(IonQ)를 포함한 여러 스타트업이 선보인 바 있으며, 아마존과 마이크로소프트 클라우드 서비스에서 그 정보에 접근할 수 있다.

9월, 초기 고객을 위해 최대 12개의 큐빗으로 구성된 양자컴퓨터 시제품을 온라인에 공개한 위드브룩은 제너두 연구팀이 지우장보다 더욱 유연한 양자컴퓨터를 만들 수 있다고 주장하며, 광 기반 양자컴퓨터도 향후 다른 형태로 따라잡을 수 있다고 믿는다. 제너두 연구팀은 여러 이동통신사 네트워크에 사용되는 것과 똑같은 구성 요소를 최대한 활용했다.

중국과학기술대학교의 루 교수는 자신의 연구팀이 지우장보다 더 크고 변형 가능한 양자컴퓨터를 개발 중이라고 밝혔다. 다른 연구원들은 중국과학기술대학교의 양자 우위 실험에 사용된 방식을 분자의 특성 연구나 대중교통, 소셜 미디어를 포함한 영역에서 예기치 못하게 등장하는 수학적 그래프가 포함된 문제 해결에 적용할 수 있다는 사실을 입증했다. 

광 기반 양자컴퓨터와 이온 트랩 방식 양자컴퓨터 옹호론자 모두 자신들의 기술이 IBM과 구글이 선호하는 초전도 칩보다 더 쉽게 변경될 수 있어야 한다고 말한다. 극저온 냉동고에서 양자컴퓨터를 제작할 필요가 없기 때문이다. 그러나 어떤 형태의 양자컴퓨터가 가장 먼저 유용하다는 사실을 입증할 것인지는 아무도 모른다. 위드브룩은 “모든 형태의 양자컴퓨터에는 각각의 장단점을 지니고 있다”라고 언급했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
China Stakes Its Claim to Quantum Supremacy