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이번 연구는 단순한 계산 속도 비교를 넘어, 고전 컴퓨터로는 해답을 추적하거나 검증조차 할 수 없었던 복잡한 실제 양자 물리 현상을 양자컴퓨터로 정밀하게 구현하고 그 결과의 정확성과 신뢰성까지 통계적으로 입증해냈다는 점에서 양자컴퓨팅의 실용화 시대를 여는 결정적 전환점으로 평가받는다.
그동안 양자컴퓨팅 분야에서는 고전 컴퓨터로 재현하거나 검증하기 어려울 만큼 복잡한 양자 계산 결과를 과연 얼마나 신뢰할 수 있느냐가 핵심 과제로 꼽혀왔다. IBM은 시카고대학교, 케드마(Qedma), 알고리드믹(Algorithmiq)과의 연쇄 연구를 통해 고전 시뮬레이션의 계산 한계를 뛰어넘는 동시에, 계산 결과의 정확성과 신뢰성을 통계적으로 검증할 수 있는 새로운 체계를 완비했음을 입증했다.
IBM-시카고대, 70개 논리 큐비트로 고전 컴퓨터 한계 돌파
IBM은 시카고대 연구진과 함께 논리 회로 기반의 신뢰할 수 있는 양자 계산을 통해 최고 수준의 양자 우위를 입증했다. 기존 연구진이 사용해온 무작위 회로 샘플링(RCS) 방식은 문제가 복잡해질수록 양자컴퓨터 내부 동작을 전제하지 않고는 결과를 검증하기가 현실적으로 불가능하다는 약점이 있었다.
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최첨단 고전 시뮬레이션 기법들이 처리하는 데 지나치게 긴 시간을 필요로 하거나 사실상 풀기 힘든 이 계산 작업을 IBM 양자컴퓨터는 약 15분 만에 완료하고 통계적 신뢰 하한까지 제시했다.
IBM-케드마, 日 슈퍼컴 ‘후가쿠’ 뛰어넘은 물질 동역학 관측
IBM은 양자 오류 저감 소프트웨어 기업 케드마와의 협업을 통해선 상용 양자 하드웨어와 소프트웨어만으로 고전 시뮬레이션이 관측할 수 없었던 양자 물질 동역학 영역을 규명했다.
연구진은 주기적인 외부 자극에 따라 물질의 자기적 특성이 변하는 ‘2차원 플로케 이징(Floquet Ising) 모델’의 미세 진동 현상을 분석했다. IBM 퀀텀 헤론(Heron) 프로세서 기반의 양자컴퓨터와 케드마의 클라우드 기반 오류 완화 소프트웨어(QESEM)를 결합해 최대 74큐비트 시스템에서 장시간 지속되는 양자 동역학을 높은 정밀도로 관측했다.
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IBM-알고리드믹, 불규칙 구조 시뮬레이션으로 8개월간 기술 격차 유지
IBM은 아울러 알고리드믹 연구팀과 함께 실제 산업 현장에서 쓰이는 촉매나 배터리 전해질처럼 결함이나 불규칙성이 존재하는 ‘이종(異種) 양자 물질’ 내부의 정보·에너지 이동 현상을 정밀하게 시뮬레이션했다.
알고리드믹 연구진은 IBM 퀀텀 헤론 프로세서상에서 결합 구조를 자유롭게 조절할 수 있는 프로그래머블 양자 물질을 구현하고, 영역 간 정보 전파 동역학을 고전 시뮬레이션이 따라올 수 없는 영역에 설정했다. 고전 계산 방식들이 서로 다른 예측 결과를 내놓으며 한계에 봉착하자, 연구진은 회로 잡음을 의도적으로 주입하고 제어하는 방식으로 잡음 조건 변화에도 양자 계산 결과가 안정적으로 유지됨을 증명해냈다.
이 연구 결과는 ‘퀀텀 어드밴티지 트래커’에 공개된 지 8개월이 지난 현재까지도 전 세계 어떤 고전 시뮬레이션 기법으로도 재현하지 못한 상태다. 알고리드믹은 이번 검증에 사용한 분자 바닥상태 시뮬레이션 오픈소스 패키지 ‘모노프롭(monoprop)’을 연구 커뮤니티에 공개해 자율적인 검증을 독려했다.
제이 감베타 IBM 리서치 총괄사장 및 IBM 펠로우는 “우리는 이제 분명히 양자 우위의 시대에 들어섰다”며 “고전 컴퓨터가 실질적으로 도달하기 어려운 양자 계산을 입증하는 동시에 결과에 대한 신뢰성을 통계적으로 확보했다”고 평가했다. 이어 “이번 성과는 물리학과 신소재, 생명과학 등 고전 컴퓨터만으로는 개척할 수 없었던 새로운 과학적 발견의 기반이 될 것”이라고 강조했다.
