[양자컴퓨터 - 04] Google이 양자 초월을 달성(전편)

 

2019년 10월 23일, Google이 양자 초월을 실현했다는 논문을 공개하면서 양자 컴퓨터의 역사에 새로운 첫 페이지를 새겼습니다.

 

'양자 초월'은 양자 컴퓨터의 역사에 있어서 중요한 단계입니다. Google 연구팀은 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 사용해도 1만 년이 걸릴 문제를 Google의 53큐비트(qubit) 양자 컴퓨터를 사용하여 10억 배나 빠른 속도록 200초 만에 풀리는 것을 확인했다고 합니다.

 

향후 Google이 보여준 양자 초월성에 대하여 다양한 각도에서 검증이 이루어져 나갈 것입니다. 양자 초월성은 물리학 및 계산 과학의 역사에서 1페이지에 새겨질 중요한 이정표이면서도, 양자 초월성과 양자 컴퓨터의 실용화에 대해서는 다양한 추측과 오해가 널리 퍼져있는 것도 사실입니다.

 

여기서는 Google이 제시한 양자 초월성에 대하여 전편과 후편의 2개 파트로 나누어 알아볼 예정입니다. 전편에서는 양자 초월성 입증을 위한 기본적인 사상과 양자 초월 달성에 대한 의의를 알아보겠습니다. 후편은 Google이 양자 초월성을 제시한 방법에 대하여 양자 회로의 설명을 통하여 알아보고, 양자 초월성 달성 후의 차기 연구 주제에 대하여 논하겠습니다(Google AI 공식 블로그 참조).

 

a. 양자 초월을 보여준 54 qubit 양자 컴퓨터(Sycamore)의 레이아웃             b. Sycamore의 외관도

 

양자 초월이란?

'양자 초월성(Quantum Supremacy)'이란 현재의 슈퍼컴퓨터로는 매우 긴 시간이 소요되는 어떤 계산을 양자 컴퓨터로는 빠르게 실행 가능한 것을 의미합니다.

 

여기서는 현재 우리가 이용하는 PC나 스마트폰에 내장된 컴퓨터를 '고전 컴퓨터'라고 표현하고 '양자 컴퓨터'와 구별하겠습니다. '서밋(Summit)', '시에라(Sierra)' 등의 슈퍼컴퓨터는 '고전 컴퓨터'입니다. 까놓고 말하자면 슈퍼컴퓨터는 엄청난 수의 고전 컴퓨터를 서로 연결하여 빠른 계산을 실현하고 있는 것에 지나지 않습니다. 한편, 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와는 다른 원리로 작동하는 것이고, 그로 인하여 빠른 계산을 실현합니다.

 

'양자 초월성'을 나타내는 핵심은 "고전 컴퓨터보다 양자 컴퓨터가 빠르게 계산할 수만 있다면 우리 생활에 아무런 도움이 되지 않는 문제라도 상관없다"는 것입니다. 즉, 고속으로 문제를 풀 수 있는지 확인하는 것이 관건입니다. 새로운 화합물의 예측이나 배송경로의 최적화 등 산업에서 중요한 문제가 아니라, 단순하게 슈퍼컴퓨터라면 매우 오랜 시간이 걸리는 특수한 계산 작업에 대하여 양자 컴퓨터라면 현실적으로 사용이 가능한 시간내에 계산이 가능하다는 것을 보여줄 수 있다면, 양자 초월성의 설명으로 충분한 것입니다.

 

양자 초월성을 보여주기 위한 방향성

양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 우월함을 보여주는 데 있어서 양자 컴퓨터에 승산이 있는 문제를 설정하는 융통성이 필요합니다.

 

예를 들어, 소인수 분해는 어떨까요, 거대한 수의 소인수 분해는 현재의 슈퍼컴퓨터의 능력으로도 매우 오랜 시간이 걸리는 반면, 양자 컴퓨터에 의한 고속 해법이 이미 알려졌습니다. 또한 소인수 분해 문제는 간단(큰 두 수의 곱셈뿐)하며 딱 봐도 양자 초월성을 보여주는 문제로 좋을 것 같습니다.

 

그러나 Google에서 개발되고 있는 양자 컴퓨터는 50큐비트 정도의 소규모입니다. 이는 슈퍼컴퓨터와의 격차를 보여줄 정도로 거대한 수의 소인수 분해는 할 수 없고 양자 초월성을 검증할 수 없습니다. 실제 양자 컴퓨터에서 거대한 수의 소인수 분해를 수행하기 위해서는 수천만 큐비트가 필요하며 실용화 단계는 아직 멀었습니다. 게다가 슈퍼컴퓨터로 소인수 분해를 능숙하게 계산해내는 알고리즘이 내일이라도 발견될 가능성이 아주 없는건 아니라서 만일 그렇게 되어버리면 양자 초월성의 증명은 무산되고 맙니다.

 

따라서

(1) 이론적 · 경험적으로 '어렵다'고 여겨지는 문제로,

(2) 슈퍼컴퓨터도 빠르게 계산할 방법은 없을 거라고 강하게 믿어지며,

(3) 즉시 실험에 사용할 수 있는 현실적 크기의 소규모 양자 컴퓨터로 계산할 수 있으며,

(4) 양자 컴퓨터의 계산 결과가 올바르다고 검증이 가능한

이와 같은 조건을 충족하는 문제를 선택할 필요가 있습니다.

 

 

양자 컴퓨터에 의한 양자 컴퓨터의 시뮬레이션

50큐비트라는 작은 양자 컴퓨터라도 슈퍼컴퓨터보다 확실히 낫다고 할만한 것이 있습니다. 그것은 (조금 비겁한 느낌도 들지만) 양자 컴퓨터의 동작을 시뮬레이션하는 것입니다.

 

양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리에 따라 작동하고 있습니다. 양자 역학의 기초 방정식은 잘 알려져 있으며, 양자 컴퓨터의 작동을 일반 컴퓨터로 시뮬레이션하는 것도 가능합니다. 예를 들어, 기본 소자인 양자비트를 10개 가진 양자 컴퓨터가 2의 10승(=1,024)에 걸쳐서 병렬 계산을 수행하는 모습 정도는 수중의 노트북으로도 시뮬레이션 가능합니다.

 

그런데 조금 큰 양자 컴퓨터(예 : 큐비트 수가 50)가 되면 이야기는 달라집니다. 갑자기 페타 바이트급의 메모리를 가진 슈퍼컴퓨터가 필요하게 됩니다.

 

물론 일부 데이터를 메모리에 유지하면서 반복 수행을 하면 메모리를 절약할 수도 있겠지만, 계산 시간은 오히려 늘어나 버립니다. 어느 쪽이든, 양자 컴퓨터 동작의 시뮬레이션은 슈퍼컴퓨터에게 어려운 문제입니다. 즉, 바꿔 말하자면 양자 컴퓨터의 시뮬레이션을 양자 컴퓨터에게 시키는 것은 양자 초월성을 보여주는 데 있어서 유효한 문제 설정이라는 것을 의미합니다.

 

이번 Google이 양자 초월성을 제시한 접근방식도 기본적으로 이 아이디어에 입각하고 있습니다.

 

a. 왼쪽의 회색 십자가는 Google 양자 컴퓨터 칩의 양자비트를 나타냅니다. 그 오른쪽이 양자 회로도이고, 양자 회로도는 악보처럼 왼쪽부터 순서대로 각 양자비트에서 수행할 연산을 나타내고 있습니다(=양자 컴퓨터에서 실행되는 프로그램).

b. 양자비트를 조작하는 마이크로파. 양자 회로도 상의 1양자비트에 걸리는 연산(single-qubit gate)과 2개의 큐비트에 걸친 연산(two-qubit gate)은 특정 파장의 마이크로파가 대응합니다.

 

실용적이지는 않지만, 양자 초월은 큰 의의가 있습니다.

이번 Google이 제시한 양자 초월은 '양자 컴퓨터가 출력할 결과를 예측한다'는 양자 컴퓨터가 잘하는 문제에 한하여 고전 컴퓨터가 이길 수 없다는 것을 확인한 것을 의미합니다.

 

아쉽지만, 양자 컴퓨터의 동작을 시뮬레이션했다고 해서 우리의 삶에 양자 컴퓨터가 빠르게 도입되는 것은 아니며, 암호화 및 블록체인의 안전을 위협하기에는 한참 멀었습니다(최신 논문에서도 암호 해독에는 2,000만 양자비트가 필요하다고 알려져 있습니다).

 

Google의 양자 초월성 검증에 사용된 계산 작업은 특수하며, 우리의 삶을 극적으로 변화시키는 영향은 없습니다. 그러나 학문적 의미에서 중요한 이정표 중의 하나입니다. 만약 Google 연구팀의 검증 실험이 정말 성공한 것이라면 단순히 세계 최초일 뿐만 아니라 양자 역학이라는 자연법칙으로부터 강력한 계산 능력을 끌어내는 방법을 인류 역사상 처음으로 손에 넣은 것입니다.

 

마무리로 Google이 발표한 양자 초월을 라이트 형제의 첫 비행에 비유한 해외 블로그 계정을 인용하고 싶습니다.

 

The world, it seems, is going to be denied its clean "moon landing"moment, wherein the Extended Church-Turing Thesis gets experimentally obliterated within the space of a press conference. This is going to be more like the Wright Brothers' flight

 

라이트 형제의 유인 비행 실험이 행해진 당시는 공중에 떠 있는 시간이 수십 초에 지나지 않았고, 실용성에서 말도 안 되는 것이었다. 그러나 항공기가 진화한 지금에 와서 돌이켜 보면, 라이트 형제의 업적은 이후의 진화를 가속하는 중요한 이정표가 된 것은 말할 것도 없다.

 

Google이 입증한 양자 초월에서도 마찬가지입니다. 물론, 양자 컴퓨터를 이용하여 양자 컴퓨터를 시뮬레이션함으로써 고전 컴퓨터에 대한 양자 컴퓨터의 우위를 보이는 것은 현실과는 괴리가 있습니다. 그럼에도 불구하고 양자 컴퓨터가 세간에 널리 사용될 수십 년 뒤 이날을 돌이켜보았을 때 Google의 양자 초월 입증은 확실히 양자 컴퓨터의 역사에서 중요한 페이지로 깊이 새겨져 있는 것입니다.