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- 정교한 오류 수정 메커니즘 없이도 정확하고 실질적으로 사용 가능
- 계산의 복잡성이 증가함에 따라 슈퍼컴퓨터는 정확하다고 가정된 결과에서 점점 더 벗어나
- 슈퍼컴퓨터는 틀렸지만 Quantum Eagle의 결과는 기준값과 일치

슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자 프로세서
정교한 오류 수정 메커니즘 없이도 정확하고 실질적으로 사용 가능한 결과

양자 컴퓨팅의 중요한 단계:
새로운 프로세스 덕분에 양자 컴퓨터는 복잡한 오류 수정 없이도 정확하고 실질적으로 사용 가능한 결과를 제공할 수 있다. 이는 현재 IBM 양자 컴퓨터 "Eagle"을 사용한 테스트에서 알 수 있다. 127큐비트 컴퓨터는 물리학에서 자주 요구되는 계산을 정확하게 완료하여 경쟁 슈퍼컴퓨터에서 더 이상 실현할 수 없는 수준의 난이도를 마스터했다. 이것은 노이즈를 우회하는 새로운 방법으로 가능했다. 

▲ 지금까지 양자 컴퓨터는 오류 수정이 부족했다. IBM 연구원들은 이제 실용화할 수 있는 기술을 개발했다. © Bartlomiej Wroblewski/ 게티 이미지

4년 전, Google의 "Sycamore" 양자 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 소위 양자 우월성을 입증했기 때문에 헤드라인을 장식한 바 있다. 그러나 양자 컴퓨터가 널리 사용되기 위해서는 복잡한 계산을 위해 빨라야 할 뿐만 아니라 정확하고 신뢰할 수 있어야 한다. 바로 여기에서 문제가 발생했다.

오류 수정의 문제

문제:
양자 비트는 매우 오류가 발생하기 쉬우며 작은 교란으로도 얽힘과 중첩에서 벗어날 수 있다. 큐비트 수에 따라 오류율도 증가한다. 따라서 양자 컴퓨터는 효율적인 오류 수정 시스템을 사용하여 필요한 크기로만 확장할 수 있다. 이러한 소위 오류 허용 양자 프로세서에서 추가 "가디언 큐비트"는 오류 발생을 나타내고 영향을 받는 양자 게이트를 결과에서 제외할 수 있도록 한다. Google Quantum AI 팀은 2023년 초에 이 방향으로 첫발을 내디뎠다.

그러나 현재의 기대에 따르면 기존 컴퓨터를 능가하는 단순한 양자 회로도 고급 내결함성 양자 프로세서가 개발된 후에야 사용할 수 있다. 현재 예측에 따르면 이러한 기술이 대형 양자 컴퓨터에서도 오류율을 충분히 줄일 수 있을 만큼 성숙되기까지는 10년 이상이 걸릴 수 있다.

계산 가능한 노이즈

하지만 이제 김 교수팀은 완벽한 오류 정정 없이도 양자 컴퓨터를 실질적으로 사용할 수 있게 만드는 기술을 제시했다. 여기서 요령은 시스템의 노이즈에 대한 표적 증폭 및 분석을 통해 이 오류 소스를 예측할 수 있다는 것이다. 이렇게 하면 이후에 이러한 간섭 효과를 제거하고 간섭 잡음이 없는 결과가 어떻게 생겼는지 확인할 수 있다. 원칙적으로 결과는 통계적 외삽으로 얻는다.

Kim과 그의 동료들은 ZNE(Zero Noise Extrapolation)로 알려진 이 방법이 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해 IBM의 127큐비트 "Quantum Eagle" 시스템을 사용했다. 적응형 알고리즘을 사용하여 먼저 큐비트의 위치, 초전도 물질 및 기타 요인에 따라 달라지는 각 큐비트의 노이즈를 재구성하는 모델을 개발했다. "이 목적을 위해 노이즈가 더 정확하게 증폭될수록 모델에서 발생하는 왜곡이 낮아진다"고 팀은 설명헸다.
두 대의 슈퍼컴퓨터에 대한 Quantum Eagle

그런 다음 실제 테스트가 시작되었다. 양자 시스템은 강력한 미국 슈퍼 컴퓨터에 대해 스스로를 증명해야 했다. 그러나 테스트 작업은 양자 컴퓨터 자체가 이점이 있는 문제가 아니라 고체 물리학에서 자주 발생하는 작업이었다. 두 시스템 모두 자화된 2D 재료의 입자 및 필드 분포를 계산하는 것이었다. 계산은 계속해서 더 복잡해졌다.

이러한 작업을 위한 효율적인 슈퍼컴퓨터 알고리즘 개발을 전문으로 하는 캘리포니아 버클리 대학의 팀이 IBM 양자 컴퓨터와 경쟁했다. 팀은 두 대의 미국 슈퍼컴퓨터에서 소위 텐서 네트워크 계산 중 두 가지를 실행했다. Berkeley 팀의 Michael Zaletel은 "테스트 전에 고전적인 방법이 양자 컴퓨터보다 더 잘할 것이라고 확신했다"고 말했다

▲ IBM 양자 프로세서 "Eagle"은 127큐비트로 구성된다. ©IBM Research

슈퍼컴퓨터를 능가하다.

그러나 결과는 달랐다. 테스트의 첫 번째 단계에서 양자 및 슈퍼컴퓨터는 일관된 결과를 제공했다. 이는 제로 노이즈 외삽법이 작동한다는 증거다. IBM Quantum의 Andrew Eddings는 "이러한 복잡한 문제에 대한 동의 수준은 저조차도 놀랐다"고 말했다. 계산의 복잡성이 증가함에 따라 슈퍼컴퓨터는 정확하다고 가정된 결과에서 점점 더 벗어났다. 하지만 누가 옳았을까?

이러한 복잡한 계산으로 더 이상 명확하게 결정할 수 없기 때문에 연구팀은 일종의 샘플링 기술을 사용했다. 작업의 특정 매개 변수에 대해 올바른 값을 계산한 다음 경쟁 컴퓨터 시스템의 결과와 비교했다. 결과는 슈퍼컴퓨터는 틀렸지만 Quantum Eagle의 결과는 기준값과 일치했다.

IBM 팀은 "이전 실험에서 Quantum Eagle의 성공을 감안할 때 결과가 완전히 정확하다는 것을 절대적으로 확실하게 증명할 수는 없지만 가능성이 높다"고 말했다. Zaletel은 이를 유사하게 보고 있다. "양자 컴퓨터의 성공은 우연이 아니다. 시스템이 전체 문제 그룹에서 작동했기 때문이다.“

"크랙하기 어려운 문제를 위한 도구“

연구원들에 따르면 이것은 양자 컴퓨터가 오류 수정 시스템 없이도 실질적으로 적용 가능하고 올바른 결과를 제공할 수 있음을 입증한다. 따라서 그러한 노이즈 제한 기술을 추구하는 것은 상당히 합리적이고 가치가 있다. "우리는 100큐비트 이상의 잡음이 많은 양자 프로세서와 사소하지 않은 회로 깊이가 예상대로 신뢰할 수 있는 값을 제공한다는 관찰에서 결론을 내렸다"고 Kim과 그의 동료들은 썼다.

이것은 미래의 양자 컴퓨터가 오류 수정 메커니즘 없이도 할 수 있다는 의미는 아니다. 그러나 현재 테스트 중인 기술은 이러한 내결함성 시스템이 개발되기 전에도 실제로 양자 컴퓨터의 장점을 사용할 수 있다. IBM Quantum의 공동 저자인 Sarah Sheldon은 "우리는 이제 양자 컴퓨팅을 해결하기 어려운 문제를 해결하기 위한 도구로 보기 시작할 수 있다"고 말했다.

<이것이 양자 컴퓨팅이 Zero Noise Extrapolation과 함께 작동하는 방식이다.>

이 연구에 참여하지 않은 스웨덴 찰머스 대학의 괴란 웬딘(Göran Wendin) 연구원과 조나스 바이랜더(Jonas Bylander)도 비슷한 견해를 밝혔다. "Kim과 동료들의 결과는 양자 프로세서가 기존 컴퓨터의 기능을 훨씬 뛰어넘는 물리적 시스템을 에뮬레이션할 수 있는 기회를 보여준다"고 Nature에 첨부된 댓글에 썼다. "기본적인 양자 이점은 속도보다 크기에 더 많이 있다. 127큐비트는 기존 컴퓨터가 충분한 작업 메모리를 가지고 있지 않은 문제를 계산한다."
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06096-3)
출처: IBM Quantum, University of California - Berkeley

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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