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[IT뉴스]양자컴 계산, 이제 믿어도 될까…IBM ‘신뢰 가능한 양자 우위’ 입증

온카뱅크관리자

2026-07-31 08:07:28

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 [디지털데일리 이안나 기자] IBM이 시카고대학교와 양자 기술기업 케드마(Qedma), 알고리드믹(Algorithmiq) 등 연구·기술 파트너들과 진행한 양자 우위(Quantum Advantage) 연구 성과 3건을 30일 발표했다.
 양자 우위는 특정 문제에서 양자컴퓨터가 주요 고전 계산 방식보다 빠르거나 적은 비용으로, 또는 더 정확한 결과를 내는 것을 뜻한다. 하지만 고전컴퓨터로 풀기 어려운 문제는 양자컴퓨터가 내놓은 답이 맞는지 확인하기도 어렵다는 문제가 있었다.
 이번에 공개된 세 연구는 하나의 공동 실험이 아닌 각각의 독립 연구다. 연구 대상과 검증 방식은 다르지만 고전컴퓨터가 현실적으로 처리하기 어려운 계산을 수행하고, 양자컴퓨터가 내놓은 결과를 신뢰할 근거까지 제시했다는 공통점이 있다.
 ◆ 70개 논리 큐비트로 계산 신뢰도까지 확인=IBM과 시카고대학교 연구진은 오류를 감지할 수 있는 구조화된 양자 회로를 이용해 70개 논리 큐비트를 구동했다. 지금까지 수행된 논리 양자컴퓨팅 실험 가운데 최대 규모 수준이라는 설명이다.
 기존에는 양자컴퓨터의 성능을 시험하기 위해 무작위 회로 샘플링(Random Circuit Sampling·RCS)이 주로 활용됐다. 고전컴퓨터로 재현하기 어려울 정도로 복잡한 결과를 양자컴퓨터가 만들어내도록 하는 방식이다.
 다만 계산이 복잡해질수록 결과가 정확한지 확인하기도 어려워진다. 양자컴퓨터가 고전컴퓨터의 계산 범위를 벗어나면 양자컴퓨터 내부 동작에 대한 전제 없이 결과를 검증하는 일이 현실적으로 불가능해지는 것이다.
 연구진은 계산 난도는 유지하면서 회로 구조를 이용해 오류를 찾아낼 수 있는 방식을 적용했다. 여러 물리 큐비트를 하나의 논리 큐비트로 인코딩해 오류의 영향을 줄이고 계산이 얼마나 정확하게 실행됐는지 확인했다.
 실험에서는 2415회 논리 2큐비트 연산과 468회의 논리 T 게이트 연산이 이뤄졌다. 오류 정정을 거친 실제 계산 오류율은 물리 큐비트의 오류율보다 약 10배 낮게 나타났다.
 여러 최신 고전 시뮬레이션 방식은 같은 문제를 처리하는 데 현실적으로 지나치게 긴 시간이 필요한 것으로 분석됐다. IBM 양자컴퓨터는 해당 계산을 15분 이내에 완료했다. 연구진은 계산 결과와 함께 회로가 최소 어느 정도 정확하게 실행됐는지를 보여주는 통계적 하한도 제시했다.
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 빌 페퍼먼(Bill Fefferman) 시카고대학교 부교수는 “실험적으로 양자 우위를 확고히 입증하는 데 있어 검증은 여전히 가장 큰 과제 중 하나”라며 “이번 실험은 잡음 환경에서도 고전적으로 계산하기 어려운 양자 상태가 얼마나 정확하게 구현됐는지를 보다 정밀하게 평가할 수 있는 기법을 개발한 것”이라고 말했다.
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 ◆ 케드마, 슈퍼컴으로 확인 어려운 물질 변화 관측=IBM과 케드마 연구진은 양자 물질에 일정한 간격으로 자극을 가했을 때 자기적 성질이 어떻게 변하는지 분석했다. 시간이 지나도 물질의 진동이 계속되는지를 확인하는 연구다.
 연구진은 IBM 퀀텀 헤론 프로세서와 케드마의 오류 완화 소프트웨어 QESEM을 결합해 최대 74큐비트 규모로 계산했다. 오류 완화는 양자컴퓨터에서 발생하는 잡음의 영향을 줄여 실제 결과를 보다 정확하게 추정하는 기술이다.
 계산 결과는 일본 이화학연구소(RIKEN)의 슈퍼컴퓨터 후가쿠와 블루큐비트의 시뮬레이션 기술을 이용해 비교했다. 문제 규모가 커지자 고전 계산 방식들은 서로 일치하는 결과를 내놓지 못했지만, 오류 완화를 적용한 양자 계산에서는 일정한 진동 현상이 계속 관측됐다.
 연구진은 퀀티넘의 이온 포획 방식 양자컴퓨터에서도 같은 현상이 나타나는지 확인했다. 서로 다른 방식의 양자컴퓨터에서 유사한 결과가 나오면서 특정 장비의 오류 때문에 발생한 현상이 아니라는 근거를 확보했다.
 ◆ 알고리드믹, 잡음과 장비 바꿔도 같은 결과 확인=IBM과 알고리드믹 연구진은 촉매나 배터리 전해질처럼 내부 구조가 불규칙한 물질에서 정보와 에너지가 어떻게 이동하는지 양자컴퓨터로 구현했다.
 검증 과정에서 여러 고전 시뮬레이션 방식은 같은 물리 현상에 대해 서로 다른 답을 내놓았다. 고전컴퓨터가 정확한 기준값을 제시하지 못하면서 양자컴퓨터의 결과와 직접 비교하기도 어려웠다.
 연구진은 대신 양자컴퓨터의 잡음 수준과 보정값, 사용 프로세서를 바꾸면서 계산을 반복했다. 조건과 장비가 달라져도 비슷한 결과가 유지되는지를 확인하는 방식이다. 그 결과 서로 다른 잡음 조건에서도 계산 결과가 안정적으로 나타났다고 연구진은 설명했다.
 해당 연구가 퀀텀 어드밴티지 트래커에 공개된 이후 8개월 동안, 연구가 다룬 전체 범위에서 같은 수준의 신뢰도 있는 결과를 재현한 고전 계산 기법은 아직 확인되지 않았다.
 알고리드믹은 다른 연구자들이 결과를 직접 검증할 수 있도록 분자 시뮬레이션용 고전 계산 소프트웨어 ‘모노프롭(monoprop)’도 오픈소스로 공개했다.
 제이 감베타(Jay Gambetta) IBM 리서치 총괄사장 및 IBM 펠로우 는 “우리는 이제 분명히 양자 우위의 시대에 들어섰다”며 “고전 컴퓨터가 실질적으로 도달하기 어려운 양자 계산을 입증한 동시에 그 계산이 얼마나 충실하게 실행됐는지에 대한 하한을 통계적 신뢰를 바탕으로 제시했다”고 평가했다.
 이어 “이번 성과는 과학자, 개발자, 기업이 고전적으로 달성할 수 있는 범위를 훨씬 넘어서는 문제로 확장해 나가는 과정에서 양자컴퓨터를 신뢰할 수 있는 새로운 기반을 제공한다”고 덧붙였다.
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