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IBM: 세 가지 시연을 통해 양자 우위 달성 입증

양자 컴퓨팅의 성숙도를 측정하는 방법은 다양합니다. 물리적 및 논리적 큐비트 수, 내결함성 임계값부터 CLOPS(초당 회로 계층 연산)와 QuOps(양자 연산)를 사용하여 실행되는 신뢰할 수 있는 연산 속도까지 포함됩니다.

여기에 양자 우위(quantum advantage)가 있습니다. 누구에게 이야기하느냐에 따라 정의에 약간의 차이가 있지만, 핵심은 양자 시스템이 실용적이고 실제 세계의 문제를 고전 슈퍼컴퓨터보다 더 빠르거나, 저렴하게, 또는 정확하게 해결할 수 있을 때 양자 우위가 발생한다는 것입니다.

일부 공급업체들은 양자 우위에 도달했다고 주장해 왔습니다. 작년 Google이 Willow 칩에서 실행한 Google Echoes Algorithm 발표부터, 양자 인프라 소프트웨어 제작사 Q-CTRL이 IBM의 Quantum Platform에서 소프트웨어를 실행하여 재료 과학 분야에서

이번 주, IBM과 여러 파트너들이 일련의 연구 논문을 통해 IT 거대 기업의 Heron 양자 칩(아래)에서 실행된 시연 사례들을 상세히 설명하고 있으며, 이들 시연에서는 양자 시스템을 이용한 작업이 기존 클래식 시스템보다 더 정확하고, 저렴하며, 효율적으로 수행될 수 있고, 그 결과가 엄격하게 검증 가능하다는 요구사항들이 충족되었다고 밝히고 있습니다.

IBM Fellow이자 IBM Research 디렉터인 Jay Gambetta에 따르면, 이는 오류 내성(fault-tolerant)을 갖춘 실용적이고 상업적인 양자 컴퓨팅을 향한 지속적인 여정에서 중요한 단계입니다.

Gambetta는 기자 회견 통화에서 “이러한 시연들은 우리가 자신감을 가지고 양자 컴퓨팅을 확장할 수 있음을 증명합니다”라고 말했습니다. “첫째, 이들은 양자 컴퓨터가 가장 큰 클래식 컴퓨터에서 실행될 수 있는 클래식 방법론의 범위를 넘어선 문제를 해결할 수 있음을 보여줍니다. 그리고 둘째, 이들은 현재 방법을 사용하는 클래식 컴퓨터가 이러한 문제들을 해결할 수 없는 경우에도 신뢰를 가지고 검증할 수 있는 일련의 양자 컴퓨터 결과를 보여줍니다. 저에게 이것은 이 분야에 있어 거대한 이정표입니다. 우리는 이제 계산 능력을 시연하는 것을 넘어 – 우리가 이러한 방법론에 대한 신뢰를 확립했기 때문에 – 앞으로 과학, 비즈니스, 기술을 위한 문제들을 살펴볼 수 있게 되었습니다.”

Algorithmiq은 생명과학, 화학, 재료 과학과 같은 산업을 위한 양자 소프트웨어와 알고리즘을 개발하는 스타트업입니다. 8개월 전, 이 회사는 공동 창립자이자 최고 기술 책임자인 Sabrina Maniscalco가 “실제 세계의 무질서한 물질(real-world disordered matter)”이라고 부르는 것을 시뮬레이션하고 이를 테스트하기 위한 시뮬레이션 프레임워크를 만든 시연 사례를 Quantum Advantage Tracker에 제출했습니다. 이 프로젝트는 촉매나 배터리 전해질과 같은 재료가 불규칙한 구조와 변동성을 가지며, 이것이 시스템을 통해 에너지를 이동시키고 입자를 움직이는 방식에 영향을 미친다는 과학 분야의 과제를 다루고 있습니다.

“학교에서 배우는 물리학의 대부분은 상당히 이상화된 것을 묘사합니다: 이상적인 물질, 완벽한 결정, 깨끗하고 대칭적인 구조들,”라고 Maniscalco가 말했습니다. “하지만 실제 세계는 그렇지 않습니다. 차세대 청정 에너지와 산업에 동력을 공급할 모든 물질들은 지저분하고, 무질서하며, 불규칙하며, 그리고 바로 이 '지저분함(messiness)'이 시뮬레이션하기 어렵게 만드는 이유이자, 동시에 그 중요성을 이해해야 하는 이유입니다.”

그녀는 양자 우위 추적기(Quantum Advantage Tracker)에 포함된 이후 8개월 동안 어떤 고전 시스템도 대규모로 동일한 결과를 신뢰성 있게 재현하지 못했다고 말했습니다. IBM은 다른 노이즈와 보정값을 가진 여러 양자 프로세서에서 같은 실험을 수행했으며, Algorithmiq는 Flatiron Institute와 같은 고전 시뮬레이션 회사들과 협력하여 그 결과를 검증했습니다.

두 가지 다른 IBM 양자 칩을 사용한 실험들은 매번 오차 범위 내에서 일관된 결과를 산출했고 – “이러한 일관성은 우연이 아니라 증거입니다,”라고 Maniscalco가 말했으며 – 반면, 아래에서 볼 수 있듯이 절반 정도 완성된 고전 시뮬레이션 방법들은 양자 결과를 따라잡지 못했습니다.

“그것들조차 서로 동의하지 않았습니다.” 그녀는 말했습니다. “우리는 메모리나 시간 측면에서, 그리고 필요한 라이브러리를 가지고 실행할 수 있는 한계까지 그것들을 밀어붙였습니다. 이것이 바로 이 주장이 8개월째 지속되고 있는 이유입니다.”

Qedma Quantum Computing의 또 다른 시연은 물질의 물리학을 연구하고 시뮬레이션하는 데 초점을 맞췄습니다. 이 공급업체의 양자 오류 억제 및 오류 완화(Quantum Error Suppression and Error Mitigation, QESEM) 소프트웨어는 하드웨어 노이즈를 억제하고 완화함으로써 양자 시스템의 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

Qedma의 공동 설립자이자 최고 기술 책임자인 Netanel Linder는 “일반적인 틀로 보면, 우리는 레이저 필드, 즉 빛에 의해 외부적으로 구동되는 물질들을 살펴보고 있습니다.”라고 말했습니다. “이것은 물리학 연구 분야에서 매우 중요한 과학 분야이며, 많은 기술적 응용 분야를 가지고 있습니다. 예를 들어 광전자공학(optical electronics) 같은 것이죠. 또한 연구하기가 매우 어려운 시스템이라 시뮬레이션이 필요합니다.”

고전적인 시스템의 문제는 제한된 범위 내에서만 그러한 시뮬레이션을 수행할 수 있다는 것입니다. 연구진은 처음에 48코어 AMD CPU와 Nvidia H100 GPU로 구동되는 Fugaku 슈퍼컴퓨터에서, 전자 수가 각각 28개와 35개인 물질을 사용하여 유한 크기 스케일링(finite-size scaling)이라는 물리학 방법을 적용해 연구를 진행했습니다. 이 방법은 작은 컴퓨터 모델을 연구하고 그 결과를 더 큰 시스템에서 발생할 현상을 외삽하는 데 사용됩니다. 이 경우, 실제 크기의 물질은 수십억 개의 전자를 가지고 있습니다.

Qedma의 테스트 결과(아래)에 따르면, Fugaku에서 시간과 자화율(magnetization)이라는 두 가지 유형의 고전적 시뮬레이션을 실행했을 때, 초기에는 서로 일치했지만 결국 각기 다른 방향으로 나아가기 시작했습니다.

Linder는 “실제로 H100 서버가 메모리가 부족해지면서 정말 좋지 않은 결과가 나오기 시작합니다.”라며 “이러한 진동(oscillations)은 볼 수 없습니다. 문제는 시스템에 실제로 진동이 존재하는지 여부입니다? 이를 위해 우리는 양자 컴퓨터로 눈을 돌립니다.”라고 말했습니다.

Qedma는 51비트 IBM 시스템을 사용하여 시뮬레이션을 수행했는데, 처음에는 QESEM 소프트웨어 없이, 다음으로는 수렴에 대한 이론적 보장(theoretical guarantee of convergence)이 있는 모드로, 그리고 마지막으로 이론적 보장은 포함하지 않지만 더 멀리 밀어붙일 수 있는 보다 효율적인 변형된 모드를 사용하여 진행했습니다. 그들은 양자 시스템에서 진동을 관찰할 수 있었습니다.

결과를 검증하기 위해 Qedma는 Quantinuum의 두 가지 양자 모델인 H2와 Helios(아래)에서 테스트를 실행했는데, 이들은 IBM의 초전도 양자 시스템과는 다른 방식인 트랩드-이온(trapped-ion) 시스템이며, 그 결과는 IBM의 결과와 일치했습니다. 그는 또한 수십억 개의 전자를 가진 실제 크기의 물질을 보여주기 위해 74큐비트 시스템 두 개에 테스트를 실행했다고 말했습니다.

QEDMA가 Fugaku에서 70만 CPU 시간을 사용했지만 진동을 재현할 수 없었습니다. Linder는 IBM Heron r3 “Boston” 시스템이 단지 7시간 동안 작동했다고 말했습니다. 만약 연구자들이 Fugaku를 더 밀어붙이려고 한다면, 그 결과에 근접하기 위해 반년 동안 작동하는 8만 GPU 서버를 사용해야 할 것이며, 이는 “명백히 불가능하다”고 그는 말했습니다.

그는 “결국 이것은 상업적으로 이용 가능한 소프트웨어를 사용하여 상업적으로 이용 가능한 하드웨어에서 수행된 최초의 양자 우위 실험입니다. 우리는 오류 감소가 양자 성능을 잠금 해제하고 신뢰할 수 있는 결과를 달성하는 데 얼마나 중요한지를 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

IBM과의 연구에서 시카고 대학교 연구원들은 무작위 회로 샘플링(Random Circuit Sampling, RCS)의 구조화된 대안인 벤치마크를 만들었는데, 이 벤치마크는 오랫동안 양자 시스템이 고전 컴퓨터보다 우수한 성능을 발휘할 수 있는지 테스트하는 데 사용되어 왔습니다. RCS는 양자 시스템이 고전 컴퓨터가 효율적으로 재현하기에는 너무 복잡한 패턴을 생성하는 방식으로 작동합니다. IBM의 Gambetta에 따르면, 주요 장애물은 검증입니다.

이 경우, 문제가 더 어려워질수록 양자 시스템이 올바른지 증명하는 것이 점점 더 어렵고 비실용적이 되며, 이는 양자 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 가정을 하지 않고는 불가능합니다. 여기서 계산에 대한 신뢰가 중요해집니다. 그는 연구원들이 시공간 코드(spacetime codes)를 개발하여 극도로 복잡한 회로를 만든 다음, 고립된 큐비트를 주입하고, 대칭성을 측정하며, 결과를 필터링하여 오류 수정 코드를 수행하는 작업을 해왔다고 말했습니다.

그는 "이를 통해 약 21개의 고립된(insular) 장치를 사용하여 약 70개의 논리적 큐비트에서 실행하고 최대 2,415개의 논리적 2-큐비트 게이트를 실행할 수 있게 합니다"라고 말했습니다. "만약 이와 기기의 물리적 오류를 본다면... 우리는 이를 효과적으로 10배 감소시킵니다."

또한 여기에는 양자 회로의 복잡성을 입증하는 2,415개의 논리적 게이트와 함께 468개의 논리적 T "하드" 게이트가 포함되어 있습니다. 이 회로는 인코딩되었으며, 물리적 오류율보다 10배 낮은 논리적 오류율을 가져 높은 충실도(high fidelity)를 보였습니다.

그는 코드의 대칭성과 시스템에서 게이트가 수행되는 방식 때문에 T 게이트를 추가해도 오류가 증가하지 않는다고 언급하며, 이 시연이 고전 시스템의 훨씬 긴 시뮬레이션 시간과 비교하여 약 16분 만에 실행되었다고 말했습니다. "본질적으로 저희 시스템에는 오류 수정 코드(error correcting code)가 있습니다. 우리는 충실도를 측정할 수 있고, T 게이트를 추가함으로써 고전적 결과의 복잡성을 증가시켜 이를 시뮬레이션할 수 있습니다."

그들은 T 게이트를 75개까지 추가하여 시뮬레이션을 수행하고 동일한 결과를 얻으면서 이를 검증했습니다.

Gambetta는 "T 게이트를 더 추가해도 오류 수정 코드의 속성이 변하는 것을 보지 못합니다. 오류 수정 코드는 본질적으로 우리를 올바른 부분 공간(subspace)에 위치시켜 오류 수정을 작동하게 하고, T 게이트의 복잡성을 증가시켜 복잡성 분리(complexity separation)를 얻을 수 있게 해줍니다."라고 말했습니다.