구글, 양자컴퓨팅 난제 해결… "오류 40배 감소"

구글 양자 AI 팀이 양자컴퓨팅 분야의 핵심 난제를 해결하며 주목받고 있다. 이들은 '마법 상태 배양(magic state cultivation)' 기술을 통해 오류를 획기적으로 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. 이 기술은 구글의 '윌로우(Willow)' 칩에서 오류율을 약 40배 감소시키며, 99.99%의 충실도를 가진 마법 상태를 생성하는 데 기여했다.

마법 상태는 유용한 양자 프로그램을 실행하는 데 필요한 단일 사용 자원으로, 그 생산 비용이 양자 컴퓨터 용량의 최대 95%에 달할 수 있다는 추정까지 나온다. 이러한 마법 상태 생산의 비효율성은 양자 컴퓨터의 실질적인 활용을 제약하는 주요 병목 현상으로 지적되어 왔다. 구글의 이번 연구는 이 문제를 해결할 실마리를 제공하며, 양자 컴퓨터의 비용 효율성을 높이고 활용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

양자 컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태를 동시에 가질 수 있는 큐비트(qubit)를 기반으로 작동하며, 이를 통해 수많은 경우의 수를 병렬적으로 탐색할 수 있다. 하지만 큐비트는 외부 환경에 극도로 취약하여 열이나 전기적 노이즈에 의해 계산 오류가 발생하기 쉽다. 따라서 산업 전반에서 오류 수정 기술(정보를 여러 큐비트에 분산시켜 오류를 감지하고 수정하는 방식) 개발에 열을 올리고 있다.

기존의 오류 수정 기술은 단순 연산에는 효과적이었으나, 동일한 방식으로 보호하기 어려운 복잡한 연산을 위해서는 '마법 상태'라는 특별한 자원이 필요했다. 이 마법 상태는 해당 연산이 실행되는 순간 소모되는 단일 사용 연료 전지와 같은 역할을 한다. 하지만 그동안 깨끗한 마법 상태를 생산하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 드는 과정으로 알려져 있었다. 일부 추정에 따르면, 마법 상태 생산에만 양자 컴퓨터 전체 용량의 최대 95%가 소요될 수 있다는 분석까지 나왔다.

이러한 상황에서 2004년, 세르게이 브라비(Sergei Bravyi)와 알렉세이 키타예프(Alexei Kitaev)는 '마법 상태 증류(magic state distillation)'라는 표준적인 해결책을 제시했다. 이 방법은 여러 개의 노이즈가 낀 마법 상태를 정제하여 소수의 깨끗한 마법 상태를 얻는 방식이지만, 이를 위해서는 별도의 거대한 큐비트 '공장'이 필요하며 해당 공장은 다른 작업에 전혀 활용될 수 없다는 단점이 있었다.

구글 연구진은 2024년, 이보다 훨씬 저렴한 경로인 '마법 상태 배양'을 제안했다. 이 기술은 별도의 공장 대신 필터와 같은 역할을 한다. 거친 상태의 마법 상태를 칩의 작은 영역에 주입한 후, 일련의 검사를 통해 결함이 발견된 시도는 모두 폐기하고 살아남은 것들만을 계속해서 발전시키는 방식이다. 당시 연구진은 추가적인 증류 과정이 실제로는 필요하지 않을 수 있다고 시사하기도 했다.

이번 연구 결과에 따르면, 구글 양자 AI의 '윌로우' 프로세서에서 제안된 프로토콜은 배양되지 않은 상태에 비해 오류율을 40배 감소시키는 놀라운 성과를 달성했다. 또한, 기록적인 논리적 충실도 99.99%를 가진 T-상태를 생성하는 데 성공했다. 이는 양자 컴퓨터의 오류를 획기적으로 줄여, 더 복잡하고 유용한 양자 계산을 가능하게 할 잠재력을 보여준다.

이러한 기술 발전은 단순한 물리학 실험실의 성과를 넘어선다. 양자 컴퓨터가 신약 개발, 신소재 설계와 같은 유용한 작업을 수행하는 날을 앞당길 뿐만 아니라, 현재 은행 로그인 및 비트코인 지갑을 보호하는 암호화 기술을 무력화할 수 있는 날도 가까워지고 있음을 의미한다. RSA-2048과 같은 현재의 암호화 기술은 양자 컴퓨터에 의해 무력화될 수 있다는 경고가 계속해서 나오고 있으며, 구글의 이번 성과는 이러한 우려를 현실로 만들 수 있는 가능성을 보여준다.

구글은 이번 성과가 양자 컴퓨터의 실질적인 활용 가능성을 크게 높일 것으로 보고 있다. 99.99%라는 높은 충실도는 양자 컴퓨터가 보다 복잡하고 민감한 계산을 수행할 수 있도록 하며, 이는 과학, 금융, 의료 등 다양한 분야에 걸쳐 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히, 암호화폐의 보안과 관련된 부분에서도 양자 컴퓨터의 잠재적 위협에 대한 논의가 활발한 가운데, 이번 기술 발전이 어떤 영향을 미칠지 주목할 필요가 있다.

구글의 '마법 상태 배양' 기술은 양자 컴퓨터 개발에 있어 중요한 이정표가 될 것으로 평가받고 있다. 오류율 감소는 곧 양자 컴퓨터의 안정성과 신뢰성 향상으로 직결되며, 이는 곧 양자 컴퓨터의 상용화를 앞당기는 원동력이 될 수 있다. 앞으로 구글이 이 기술을 어떻게 발전시키고 실제 양자 컴퓨터 시스템에 적용할지에 대한 업계의 관심이 집중될 전망이다.