구글, 30년 난제 해결한 양자 칩 '윌로우' 공개

양자 컴퓨터를 만드는 과정에서 가장 큰 골칫거리는 큐비트 숫자를 늘릴수록 환경 잡음 때문에 오류가 걷잡을 수 없이 커진다는 점이었습니다.

이 때문에 지난 30년 동안 규모를 키우면 연산이 무너지는 악순환이 양자 기술의 상용화를 가로막는 최대 장벽으로 꼽혀왔습니다.

구글은 12월 9일 이러한 한계를 넘어선 차세대 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'를 공개하고 관련 연구 결과를 네이처(Nature)에 게재했습니다.

큐비트를 늘릴수록 오류가 절반으로 줄어들다

캘리포니아주 샌타바버라에 새로 지은 전용 시설에서 제작된 윌로우는 105개의 초전도 큐비트를 탑재했습니다.

이번 발표의 핵심은 양자 오류 정정 분야에서 1995년 피터 쇼어가 이론을 제시한 이후 숙원 과제였던 '임계값 이하(below threshold)' 진입을 실제로 입증했다는 사실입니다.

연구팀은 물리 큐비트 배열을 3x3 격자에서 5x5, 다시 7x7로 확장하며 테스트를 진행했습니다. 놀랍게도 시스템 규모를 키울 때마다 오류율이 절반씩 줄어들었습니다.

즉 규모가 커질수록 오류가 지수 함수적으로 감소하는 동작을 보였으며, 초전도 시스템에서 실시간 오류 정정을 구현하는 데 성공했습니다. 큐비트가 에너지를 유지하는 시간인 T1 역시 약 100마이크로초에 도달해 이전 세대보다 약 5배 개선되었습니다.

슈퍼컴퓨터로 10자 년 걸릴 계산을 5분 만에 끝내다

연산 성능을 측정하는 무작위 회로 샘플링(RCS) 벤치마크에서도 압도적인 수치가 나왔습니다.

세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터인 프론티어(Frontier)로 10의 25제곱년(10 셉틸리언년)이 걸릴 계산을 윌로우는 5분도 안 되는 시간에 마쳤습니다.

1 뒤에 0이 25개 붙는 이 기간은 현재 알려진 우주의 나이를 아득히 뛰어넘는 수준입니다. 이 연산을 위해 칩은 외계 우주보다 더 차가운 희석 냉동기 안에 설치되었고, 특수 마이크로파 케이블과 차폐 패키징을 통해 외부 전자기파와 열 잡음을 차단했습니다.

다만 구글 역시 RCS 테스트는 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 압도한다는 것을 검증하는 기준일 뿐, 실생활에 적용할 수 있는 상업적 용도는 아니라고 선을 그었습니다.

왜 중요한가

우리는 윌로우의 진정한 가치가 천문학적인 연산 시간보다 '오류를 통제하며 확장 가능한 양자 컴퓨터'가 공학적으로 실현 가능함을 보여준 데 있다고 봅니다.

그동안 업계 안팎에서는 노이즈 장벽을 넘지 못해 양자 컴퓨터가 실험실 장난감에 머물 것이라는 회의론이 적지 않았습니다. 구글이 물리적 규모를 키우면서 순수 오류율을 낮출 수 있음을 증명하면서 기술 로드맵의 신빙성이 한층 높아졌습니다.

그러나 일반 기업이나 개발자가 당장 이 성능을 업무에 활용할 수 있는 단계는 아닙니다. 벤치마크 기록을 넘어 실제 신약 후보 물질 발굴이나 배터리 소재 시뮬레이션, AI 최적화 같은 현실 문제에 적용하기까지는 여전히 넘어야 할 산이 많습니다.

이제 경쟁의 판도는 단순히 큐비트 숫자만 늘리는 경쟁에서 벗어나, 누가 먼저 상업적 가치가 있는 실제 알고리즘을 오류 정정 상태에서 구동하느냐로 옮겨갈 것으로 보입니다.