구글의 윌로우 칩: 진정한 양자 우위의 물리학

이는 인간의 두뇌가 이해할 수 없을 만큼 큰 숫자인 10조 년입니다.

그것은 $10^{25}$년입니다. 맥락상 우주의 나이는 약 138억년에 불과합니다. 빅뱅 당시 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터(현재 프론티어 엑사스케일 시스템)에서 계산을 시작했다면 오늘날 문제를 해결하는 데 여전히 0.000000001%도 채 걸리지 않을 것입니다.

Google의 새로운 양자 프로세서인 Willow는 5분 이내에 해당 계산을 완료했습니다.

이는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터에서는 사실상 불가능한 작업을 수행할 수 있는 임계값을 설명하는 용어인 “양자 우위”에 대한 Google의 최근 주장에 대한 헤드라인 역할을 합니다. 그러나 속도는 눈부시지만 실제로는 발표에서 가장 흥미롭지 않은 부분입니다. 인간 기술의 궤적을 바꿀 실제 이야기는 소음 속에 숨겨져 있습니다.

처음으로 Google은 프로세서에 더 많은 큐비트를 추가하면 오류율을 늘리는 것이 아니라 실제로 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 이것은 실험용 장난감에서 세상을 변화시키는 기계로의 길을 열어준 양자 오류 수정(QEC)의 획기적인 발전인 양자역학의 “성배”입니다.

후크: 이것이 지금 중요한 이유

수십 년 동안 양자 컴퓨팅은 “NISQ” 시대, Noisy Intermediate-Scale Quantum에 갇혀 있었습니다.

이 시대에 양자 컴퓨터를 구축하는 것은 풍동에서 카드로 집을 짓는 것과 같았습니다. 더 많은 카드(큐비트)를 추가하여 구조를 더 크게 만들 수 있지만 크기가 커질수록 불안정해졌습니다. “바람”(환경 소음, 열, 방사선)은 유용한 계산이 완료되기 전에 필연적으로 양자 상태(결맞음)를 붕괴시킵니다.

많은 저명한 물리학자를 포함한 비평가들은 이것이 자연의 기본 법칙일 수 있다고 주장했습니다. 그들은 양자 시스템을 확장하면 노이즈가 기하급수적으로 증가하여 유용한 계산을 영원히 방해할 것이라고 제안했습니다.

Willow는 그들이 틀렸다는 것을 증명했습니다.

105큐비트를 갖춘 Willow는 이전 제품인 Sycamore(53큐비트)보다 더 크지 않습니다. 기하급수적으로 더 조용해졌습니다. Google은 여러 물리적 큐비트에서 데이터를 수집하여 논리적 명령을 형성함으로써 시스템이 확장됨에 따라 오류율을 낮출 수 있음을 보여주었습니다.

이것이 양자컴퓨팅의 ‘트랜지스터 순간’이다. 진공관이 신뢰할 수 있는 트랜지스터에 자리를 내준 것처럼, 업계는 이제 시끄럽고 깨지기 쉬운 큐비트에서 오류가 수정되고 안정적인 큐비트로 전환하고 있습니다.

기술 심층 분석: Willow의 물리학

Willow가 공학의 걸작인 이유를 이해하려면 Transmon Qubit의 물리학을 살펴봐야 합니다.

1. 아키텍처

Willow는 특정 그리드에 배열된 105개의 초전도 큐비트를 사용합니다. 실리콘에 에칭된 미세한 트랜지스터인 노트북의 비트와는 달리, 이러한 큐비트는 거의 절대 영도(약 20밀리켈빈)로 냉각된 초전도 금속(보통 알루미늄 또는 니오븀)으로 만들어진 거시적 회로입니다.

이 온도에서 금속은 모든 전기 저항을 잃습니다. 전자는 “쿠퍼 쌍”으로 쌍을 이루고 마찰 없이 흐릅니다. 이를 통해 회로는 단일 인공 원자처럼 동작할 수 있습니다. 엔지니어는 마이크로파 펄스로 이 회로를 조작하여 이 회로를 동시에 “0”과 “1”이 되는 중첩 상태로 만들 수 있습니다.

2. 소음 문제

문제는 이러한 인공 원자가 엄청나게 민감하다는 것입니다. 표류하는 광자, 자기적 변동 또는 심지어 칩에 부딪히는 우주선도 “결맞음”을 유발하여 중첩을 무너뜨리고 계산을 망칠 수 있습니다.

이전 칩에서는 더 많은 큐비트를 추가하면 오류가 전파되는 경로가 더 많이 추가되었습니다. 50큐비트 컴퓨터의 단계당 정확도가 99%인 경우 100큐비트 컴퓨터는 실패 지점이 더 많기 때문에 정확도가 50% 이하로 떨어질 수 있습니다.

3. “Zeno” 효과 및 오류 수정

Willow는 실시간 오류 수정을 위한 새로운 방식을 도입했습니다. 물리적인 큐비트를 효과적으로 그룹화하여 올바른 상태에 투표합니다.

이 획기적인 발전은 시스템을 자주 관찰하면 시스템의 진화를 “정지”할 수 있거나 이 경우 오류가 확산되기 전에 오류를 포착할 수 있다는 Quantum Zeno Effect와 유사한 개념을 기반으로 합니다. Willow는 실제로 큐비트 자체를 측정하지 않고(데이터가 파괴됨) 인접한 큐비트의 “패리티”를 측정하여 동일한지 다른지 확인합니다.

시스템이 오류(예: 비트 뒤집기)를 감지하면 실시간으로 수정 사항을 적용할 수 있습니다. 데이터는 Google이 코드 거리(논리적 큐비트를 뒷받침하는 물리적 큐비트 수)를 확장함에 따라 오류율이 기하급수적으로 감소했음을 보여줍니다.

이는 양자 오류 수정이 작동한다는 것을 확인시켜줍니다. 이제 논리적 큐비트는 이를 구성하는 물리적 큐비트보다 오래 지속될 수 있습니다. 이는 물리학적으로 불가능한 것이 아니라 공학적 과제입니다.

벤치마크: 무작위 회로 샘플링

Willow가 수행하는 작업을 **RCS(Random Circuit Sampling)**라고 합니다.

RCS는 본질적으로 스트레스 테스트입니다. 컴퓨터에는 큐비트에 적용할 무작위 시퀀스의 양자 게이트(작업)가 제공되며, 해당 무작위 회로의 통계적 분포와 일치하는 비트열 문자열을 출력해야 합니다.

그것은 아무 것도 시뮬레이션하지 않고 연구자들에게 우주에 대해 아무 것도 알려주지 않는 쓸모없는 계산입니다. 클래식 컴퓨터에서는 최대한 어렵기 때문에 특별히 선택되었습니다.

• 고전적 난이도: $N$ 큐비트의 양자 시스템을 시뮬레이션하려면 클래식 컴퓨터에 $2^N$ 바이트의 메모리가 필요합니다. 53큐비트(Sycamore)의 경우 이는 페타바이트였습니다. 105큐비트(Willow)의 경우 메모리 요구 사항은 눈에 보이는 우주의 원자 수를 초과합니다.
• Willow의 성능: Willow는 시뮬레이션되는 시스템 *이기 때문에 이러한 회로를 기본적으로 실행할 수 있습니다.

Google이 “10조년”이라고 말하는 것은 오늘날 가장 큰 슈퍼컴퓨터에서 알려진 가장 스마트한 기존 알고리즘을 사용하여 Willow의 복잡한 회로의 출력을 통계적으로 검증하는 데 오랜 시간이 걸린다는 것을 의미합니다.

그러나 여기서 경쟁에 주목할 가치가 있습니다. IBM은 종종 RCS가 “파티 트릭”이며 이러한 이론적 시간 제한은 영리한 고전적 근사법을 통해 줄일 수 있다고 주장합니다. 그러나 효율적인 기존 알고리즘을 사용하는 가장 관대한 “텐서 네트워크” 방법을 사용하더라도 Willow는 사실상 도달할 수 없는 상태로 남아 있습니다.

맥락적 역사: 플라타너스에서 오는 길

윌로우까지의 여정은 험난했습니다.

• 2019(Sycamore): Google은 53큐비트로 양자 우위를 주장합니다. 슈퍼컴퓨터의 경우 약 10,000년이 걸리는 계산에 200초가 걸렸습니다. IBM은 하드 드라이브 스토리지를 사용하면 Summit 슈퍼컴퓨터에서 2.5일 만에 이 작업을 수행할 수 있다고 주장하면서 즉시 반박했습니다. 이 주장은 논란의 여지가 있었습니다.
• 2021-2023(IBM Eagle & Osprey): IBM은 순수 큐비트 수를 늘려 127큐비트와 433큐비트의 칩을 출시했습니다. 그러나 구글은 품질이 없는 양은 의미가 없다고 주장했습니다. 오류율이 높은 433큐비트 칩은 난수 생성기에 불과합니다.
• 2024(Willow): Google이 반격합니다. 그들은 1,000큐비트에 도달하지 않았습니다. 그들은 105 더 나은 큐비트를 추구했습니다.

이는 철학의 차이를 나타냅니다. IBM은 “Utility Scale”(오류 완화를 통해 더 작고 유용한 문제 해결)을 추진하고 있는 반면 Google은 “Fault Tolerance”(오류 수정의 물리학을 먼저 입증)를 추진하고 있습니다. Willow는 Google의 물리학에 대한 투자가 성과를 거두고 있다고 제안합니다.

미래 지향적 분석: 암호화에 대한 “코드 레드”?

양자 혁신이 일어날 때마다 첫 번째 질문은 **“비트코인은 안전한가요?”**입니다.

이러한 두려움은 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 큰 소수를 인수분해할 수 있는 양자 방법인 쇼어의 알고리즘에서 비롯됩니다. 은행 계좌와 웹 트래픽을 보호하는 RSA 암호화는 소수 인수분해의 어려움에 의존하기 때문에 강력한 양자 컴퓨터는 이론적으로 인터넷을 해독할 수 있습니다.

답변: 지금은 안전합니다…

2048비트 RSA 키에서 Shor의 알고리즘을 실행하려면 2048큐비트만 필요한 것은 아닙니다. 2048개의 완벽하고 논리적인 큐비트가 필요합니다. 오류 수정이 필요하기 때문에 각 논리적 큐비트에는 1,000개의 물리적 큐비트가 필요할 수 있습니다.

이를 위해서는 대략 2천만 개의 물리적 큐비트를 갖춘 머신이 필요합니다. 구글에는 105개가 있습니다.

업계는 여전히 “Q-Day”(양자 컴퓨터가 암호화를 깨는 날)로부터 몇 배나 떨어져 있습니다. 그러나 Willow는 타임라인을 강제로 업데이트합니다.

• Willow 이전: 물리학자들은 오류율이 포화 상태가 되어 인류가 2천만 개의 일관된 큐비트에 결코 도달하지 못할 수도 있다는 것을 걱정했습니다.
• Willow 이후: 오류 수정이 작동하는 것으로 입증되었습니다. 더 이상 물리학 문제가 아닙니다. 그것은 엔지니어링 문제입니다.

실제 즉각적인 영향: 시뮬레이션

코드를 해독하기 훨씬 전에 Willow(및 후속 제품)와 같은 칩은 시뮬레이션에 혁명을 일으킬 것입니다.

• P형 질소 고정: 비료용 암모니아 생산은 세계 에너지의 2%를 소비합니다. 높은 열과 압력이 필요합니다(Haber-Bosch 공정). 박테리아는 질소 분해 효소를 사용하여 실온에서 이 작업을 수행합니다. 현재의 고전적인 컴퓨터는 전자 상호 작용이 너무 복잡하기 때문에 질소 분해 효소를 시뮬레이션할 수 없습니다. 양자 컴퓨터는 이를 쉽게 모델링하여 국지적인 녹색 비료 생산으로 이어질 수 있습니다.
• 배터리 화학: 리튬-금속 배터리용 새로운 전해질을 설계하려면 복잡한 분자 결합을 시뮬레이션해야 합니다. Willow급 칩은 EV 범위를 두 배로 늘리는 재료를 찾을 수 있습니다.

결론

Google의 Willow 칩은 내일 모든 비트코인을 채굴하거나 암호화된 이메일을 읽지 않을 것입니다. 엑셀이나 둠 실행능력으로 판단한다면 쓸모가 없습니다.

그러나 프로토타입이 무엇을 할 수 있는지에 따라 기술이 판단되는 경우는 거의 없습니다. 그것이 열리는 길에 따라 판단됩니다.

40년 동안 양자 컴퓨팅은 이론적인 학문이었습니다. 연구자들이 원자 수준에서 자연을 통제할 수 있다면 어떤 일이 일어날지 논쟁하는 칠판 위의 수학이었습니다. 버드나무는 칠판이 옳았다는 증거이다. 양자 영역으로 가는 문은 더 이상 그냥 열려 있는 것이 아닙니다. 그것은 걷어차서 열렸습니다. 이제 유일한 질문은 업계가 이를 얼마나 빨리 통과할 수 있느냐는 것입니다.

출처 (2)

• blog.google Google Quantum AI Blog
• nature.com Quantum Error Correction