미국 IT 기업 IBM은 고성능 양자 컴퓨터를 작동시켜 기존 슈퍼컴퓨터 못지않은 성능을 냈습니다. IBM은 최근 네이처(Nature) 저널에 용량이 100큐비트가 넘는 양자컴퓨터를 구동했다고 발표했습니다. 물리학 시뮬레이션 과제를 슈퍼컴퓨터 수준으로 처리했습니다.

IBM은 "양자 컴퓨팅의 궁극적인 목표 중 하나는 전통적 컴퓨터가 효율적으로 계산하지 못했던 물질의 구성요소를 시뮬레이션하는 것이다"며 "이를 모형화하는 기술은 더 효율적인 비료 설계, 더 나은 배터리 제작, 새로운 의약품 개발 같은 과제를 해결하는 능력을 얻기 위한 중요한 단계다"고 밝혔습니다.

일반 컴퓨터가 0, 1로만 정보를 표시할 수 있는데 반해 양자 컴퓨터는 이에 더해 0과 1을 동시에 표기하는 방법도 사용할 수 있습니다. 그래서 최적화, 혼란한 자료 속 정보 검색, 자연 물질 시뮬레이션 같은 일 처리에서 더 유리할 수 있다고 추정했습니다. 하지만 양자 컴퓨터는 개발이 쉽지 않았습니다. 양자 단위인 큐비트는 다루기 까다로운 성질을 지녔습니다. 주변에서 오는 작은 방해에도 반응해 오류가 자주 발생합니다. 계산 처리 장치인 양자 프로세서 크기를 키울수록 계산을 잘못할 위험이 커집니다.

문제를 다루는 방법으로 두 가지가 있습니다. 하나는 어떻게든 오류를 지워나가는 것이고 다른 하나는 일정부분 왜곡을 받아들이면서 컴퓨팅 성능을 끌어올리는 방법입니다.

IBM은 두 번째 방식에 따라 내결함성 양자컴퓨터(Fault-tolerant quantum computer)를 제작했습니다. 

연구진은 이글 양자 프로세서로 물질의 스핀 역학을 계산해 자기장에 반응하는 방식 등을 알아냈습니다. 127 큐비트에 달하는 성능으로 특정 원자들이 대규모로 상호 연결된 상태를 구현할 수 있었습니다. 명령을 처리한 결과물에 오류가 끼어 있었지만, 제로 노이즈 추정 기술(zero noise extrapolation)로 교정했습니다. UC 버클리 소속 과학자들이 연구 결과를 검증하기 위해 전통적 방식으로 작동하는 컴퓨터로 같은 과제를 수행했습니다. 그러자 IBM이 공개한 내용과 일치하는 연산 결과가 출력되었습니다.

전통적 구조로 이루어진 컴퓨터는 다루는 모델이 복잡해질수록 한계가 옵니다. 반면 동일한 작업에서 양자 컴퓨터는 비교적 안정적인 모습을 보여줍니다. IBM 컴퓨터는 양자 컴퓨팅의 이점을 활용하기 위해 개발되었습니다. 이번 실험으로 양자 컴퓨터의 고질적인 문제 중 하나를 다루는 데 성공했습니다. 오류에도 불구하고 유용한 답을 제공하는 수준까지 올라온 것입니다.

다리오 길 IBM 리서치 수석 부사장은 "양자 컴퓨터가 기존 방식을 뛰어넘어 자연적 물리 시스템을 정확하게 재현한 것은 이번이 처음이다"며 "이번 성취는 현대 양자 컴퓨터가 기존 시스템에서는 매우 어렵고 어쩌면 불가능한 문제를 모델링하는 데 사용할 수 있는 유능하고 과학적인 도구라는 점을 증명하는 중요한 진보이며, 이제 양자 컴퓨팅을 활용할 새로운 시대로 접어들었다는 신호다"고 강조했습니다. 

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다.

/ 글 CHARLOTTE HU 기자 & 육지훈 기자