이제 슈뢰딩거의 고양이가 어떤 상태인지 확실히 알게 되었습니다.
양자 컴퓨팅은 뉴스에 자주 등장하는 주제는 아닙니다. 그 잠재력이 막대하기 때문이기도 하지만, 이 기술이 "불과 몇 년 안에" 실질적인 실생활에 적용될 것이라는 예측은 이미 수십 년 동안 반복되어 왔습니다. 그러나 과학계가 드디어 실용적인 전환점에 도달했을 수도 있습니다. 구글 엔지니어들이 자사 Willow 양자 칩을 사용해 검증 가능한(verifiable) 알고리즘을 성공적으로 구동한 세계 최초의 시도를 발표했는데, 그 성능은 슈퍼컴퓨터보다 무려 13,000배나 빨랐습니다.
문제가 된 알고리즘은 Quantum Echo라는 이름으로, 원자 중심의 자기 스핀을 감지하여 내부 분자 구조를 밝혀내는 핵자기공명(NMR, 대중적인 MRI의 분광학적 변종) 물리 실험을 모델링한 것입니다. 구글에 따르면, Willow는 이 실험을 "세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터의 최적 클래식 알고리즘"보다 13,000배 빠르게 처리할 수 있다는 의미입니다. 이는 특정 작업의 경우, 단 하나의 칩이 전체 데이터센터보다 여러 자릿수(order of magnitude)에 걸쳐 월등히 빠르다는 것을 의미합니다.
이 실험이 흥미롭고 세계 최초인 가장 큰 이유는 바로 '검증 가능성(verifiable)'에 있습니다. 즉, Willow가 제시하는 결과가 재현 가능하며, 일반 알고리즘으로 검증되었거나—이 경우, 분석 대상이 분자와 원자 자체이므로 자연의 원리에 의해 검증된다는 뜻입니다. 또한 이 실험은 양자 컴퓨팅의 실질적인 사용 사례(use case)를 제시했다는 점에서 큰 의미를 가집니다.
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이 설명은 매우 단순화한 것이지만, 현재 양자 컴퓨터의 근본적인 과제는 본질적으로 결정론적(deterministic)이 아니라는 점입니다. 양자 컴퓨터는 확률적인 해답에 도달하지만, 대부분의 가능한 입력값들을 동시에 고려할 수 있다는 장점을 지닙니다. 그 결과, 아주 특정한 형태의 작업에 대해서는 엄청난 속도 향상을 끌어냅니다. 하지만 따라서 양자 컴퓨터가 도출한 해답은 본질적으로 오류를 포함할 수밖에 없으므로, 실제 응용 분야로 사용하기 위해서는 오류율을 수많은 자릿수만큼 낮추는 것이 필수적입니다.
Quantum Echo가 사실상 검증 가능하고 '결정론적' 결과를 낼 수 있는 원리는 Willow의 105-큐비트 배열에 일종의 "핑(ping)"을 보내 그 효과를 초당 수백만 번 측정하여 시스템의 상태 정보를 읽어내기 때문입니다. 따라서 (다시 한번 단순화하고 있지만) 과학자들이 시스템 상태를 크게 변화시키지 않으면서 그 결과값을 들여다볼 수 있게 됩니다.
이는 모든 양자 컴퓨팅 프로젝트에서 가장 대규모의 데이터 수집 방식 중 하나로 알려져 있으며, NMR 분석을 검증 가능하게 만드는 핵심 역할을 했습니다. 이 과정을 통해 오류율을 충분히 낮춰 최종적으로 "결정론적" 해답에 도달할 수 있었습니다.
연구팀은 양자 컴퓨터가 앞서 언급된 예시처럼 자연의 현상을 분석하는 데 필수적이라고 전망합니다. 현재 기술의 발전을 바탕으로 다음 단계로 나아가고 있습니다.