This new startup has built a record-breaking 256-qubit quantum computer

이보다 빠를 순 없다…보스턴 스타트업, 기록적 속도의 양자컴퓨터 개발

하버드와 MIT의 물리학자들이 설립한 큐에라 컴퓨팅(QuEra Computing)이 기존의 양자컴퓨터 제작 방식과는 다른 방식을 사용해 계산 속도가 무려 256큐비트에 달하는 양자컴퓨터를 개발했다. 이 컴퓨터가 양자컴퓨팅의 새로운 가능성을 열어줄지도 모른다.

마침내 하버드대학교와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 물리학자들이 양자컴퓨팅을 위한 강력하고 혁신적인 ‘킬러 애플리케이션(killer application)’을 찾아냈다. 큐비트로 만든 마리오 형제(Mario Bros.) GIF 이미지다. 이 큐비트(qubit: quantum bits, 양자 컴퓨터 계산의 기본 단위)들은 스페이스 인베이더(Space Invaders) 게임 디자인이나 테트리스(Tetris) 등 원하는 모양으로도 배열될 수 있다.

이 GIF 이미지들은 갑자기 기술 업계에 등장한 보스턴의 스타트업 ‘큐에라 컴퓨팅(QuEra Computing)’에서 자신들이 개발한 256큐비트 양자 시뮬레이터의 프로그램 가능성(programmability)을 과시하려는 목적으로 제작된 것이다. 이들이 개발한 양자 시뮬레이터는 특정 문제 해결을 위해 만들어진 특수 목적의 양자컴퓨터이다.

큐에라의 이번 시뮬레이터는 실용적인 문제를 해결할 수 있도록 성능을 더 높이고 규모를 키운 가장 최신 양자컴퓨터이다. 양자컴퓨터의 큐비트 숫자가 크다는 것은 기계가 더 많은 정보를 저장하고 처리할 수 있다는 의미이며, 이 분야의 연구자들은 큐비트 숫자를 계속해서 높이기 위해 경쟁하고 있다.

2019년에 구글(Google)은 자사가 개발한 53큐비트 컴퓨터가 ‘양자 우월성(quantum supremacy)’을 달성했다고, 다시 말해, 기존 컴퓨터로 해낼 수 없는 과제를 수행할 수 있다고 발표했으나, IBM이 그 주장에 도전장을 내밀었다. 같은 해 IBM도 53큐비트 양자컴퓨터를 공개했다. 2020년에는 아이온큐(IonQ)가 ‘세계에서 가장 강력한 양자컴퓨터’라고 설명하며 32큐비트 시스템을 발표했다. 그리고 이번 11월 셋째 주에는 IBM이 새로운 127큐비트 양자컴퓨터를 공개하면서, 보도자료에서 이 컴퓨터를 ‘디자인의 작은 기적(minor miracle of design)’이라고 묘사했다. IBM의 양자컴퓨팅 부문 부사장 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “내 관점에서 가장 기쁜 소식은 이 컴퓨터가 제대로 작동한다는 것”이라고 말했다.

그리고 현재 큐에라는 그 어느 경쟁업체보다 더 높은 큐비트를 가진 양자컴퓨터를 만들었다고 주장하고 있다.

물론 양자컴퓨팅의 궁극적인 목표는 테트리스를 플레이하는 것이 아니라, 실질적으로 이득이 있는 문제를 해결하는 부분에서 기존 컴퓨터의 수행 능력을 뛰어넘는 것이다. 양자컴퓨터를 옹호하는 사람들은 양자컴퓨터가 앞으로 10년 또는 20년 이내에 강력한 성능을 갖추게 될 것이며, 의학, 금융, 신경과학, 인공지능(AI) 같은 분야에 큰 변화를 가져올 것이라고 생각한다. 그렇게 복잡한 문제를 수행하기 위해서는 수천 큐비트 성능의 양자컴퓨터가 필요할 것이다.

그러나 큐비트 숫자가 양자컴퓨터의 성능을 결정하는 유일한 요인은 아니다.

큐에라는 또한 자신들이 개발한 양자컴퓨터의 ‘프로그램 가능성’이 향상됐다고 홍보하고 있다. 큐에라의 양자컴퓨터에서 각 큐비트는 단일한 초저온 원자(ultra-cold atom)이다. 이러한 원자들은 레이저를 이용해 정확하게 배열할 수 있는데, 물리학자들은 이러한 레이저를 ‘광학 핀셋(optical tweezer)’이라고 부른다. 이렇게 큐비트 배열을 통해 양자컴퓨터를 프로그래밍하고, 연구 중인 문제에 맞춰 조정할 수 있으며, 계산 과정 중에 실시간으로 큐비트를 재구성하는 것도 가능하다.

큐에라의 CEO이자 이 기술의 공동 개발자인 알렉스 키슬링(Alex Keesling)은 “다양한 문제를 해결하려면 원자가 다른 식으로 배열되어야 할 것”이라고 설명하며, “우리 컴퓨터의 독특한 점 한 가지는 컴퓨터를 구동할 때마다 1초에 몇 번씩 우리가 큐비트의 배열과 연결성을 완전히 재정의할 수 있는 것”이라고 밝혔다.

원자 우위

큐에라의 컴퓨터는 큐에라의 창립 멤버들인 하버드대학교의 미하일 루킨(Mikhail Lukin)과 마커스 그라이너(Markus Greiner), MIT의 블라단 불레틱(Vladan Vuletić)과 더크 잉글런드(Dirk Englund)의 주도하에 몇 년 동안 정제된 계획과 기술을 토대로 제작됐다. 2017년에 하버드 팀에서 만든 양자컴퓨터 초기 모델은 51큐비트만 사용했다. 그리고 2020년에 그들은 256큐비트의 양자컴퓨터를 시연하게 되었다. 큐에라 팀은 앞으로 2년 안에 1,000큐비트까지 도달할 것으로 예상하고 있으며, 플랫폼을 많이 바꾸지 않은 상태에서 수만 큐비트 이상 시스템을 계속 확장하고자 하고 있다.

Mario made from QuEra qubits
큐에라 큐비트로 만든 마리오.
AHMED OMRAN/QUERA

시스템을 조립하는 물리적인 방법과 정보가 암호화되고 처리되는 방식이 독특한 큐에라의 독창적인 플랫폼은 양자컴퓨터의 그러한 발전을 가능하게 할 수 있을 것이다.

구글과 IBM의 양자컴퓨팅 시스템은 초전도성 큐비트를 사용하고 아이온큐는 이온 포획 방식을 사용하지만, 큐에라의 플랫폼은 인상적인 결맞음(coherence)(즉, 높은 수준의 ‘양자성(quantumness)’)을 갖춘 큐비트를 만드는 중성 원자의 배열을 사용한다. 이 시스템은 레이저 펄스를 사용해 원자들이 상호작용하게 만들며, 1888년 스웨덴 물리학자 요하네스 뤼드베리(Johannes Rydberg)가 설명한 ‘뤼드베리 상태(Rydberg state)’라는 에너지 상태까지 원자를 들뜨게 만들어서 원자들이 높은 충실도로 양자 논리를 수행할 수 있게 한다. 지난 이삼십 년 동안 양자컴퓨팅에 대한 이러한 뤼드베리의 방식이 연구되었으나, 이 방식을 제대로 활용하려면 레이저와 포토닉스(photonics)를 이용하는 등의 기술적 발전이 필요했다.

“활기가 넘치는 듯한 느낌”

버클리 양자 컴퓨테이션 센터(Berkeley Quantum Computation Center)의 책임자인 컴퓨터 과학자 우메시 바지라니(Umesh Vazirani)가 뤼드베리 방식을 연구하는 과정에서 루킨의 연구를 처음 알게 됐을 때, 그는 갑자기 ‘활기가 넘치는 듯한’ 느낌을 받았다. 바지라니는 자신의 직관에 현실감이 있는지 의문을 품었지만 그에게 루킨의 연구는 놀랄만한 접근법으로 보였다. 그는 “우리는 초전도체나 이온 포획처럼 그동안 잘 발전시켜온 여러 가지 경로가 있었고, 이런 방식이 오랫동안 연구되고 있었다. 그렇지만 다른 방식을 생각해볼 수 있지 않을까?”라고 말했다. 그는 캘리포니아 공과대학교 물리학 교수이자 양자 정보 및 물질 연구소(Institute for Quantum Information and Matter) 책임자인 존 프레스킬(John Preskill)과 연락을 통해 루킨의 연구를 보고 느낀 자신의 감정이 정당했음을 확인할 수 있었다.

프레스킬은 큐에라의 플랫폼뿐만 아니라 ‘뤼드베리 플랫폼’ 자체가 흥미롭다고 생각했다. 그 플랫폼에서는 서로 강하게 얽혀서 상호작용하는 큐비트를 만들 수 있기 때문이었다. 그는 “거기서 양자의 마법이 일어나는 것이다. 비교적 짧은 시간 내에 예상치 못한 것을 발견할 가능성이 있어서 매우 흥분된다”고 설명했다.

양자 물질과 양자 역학을 시뮬레이션하고 이해하는 것뿐만 아니라 큐에라는 ‘NP-완전(NP-complete) 문제’(즉, 매우 어려운 문제) 같은 계산 최적화 문제를 해결하기 위한 양자 알고리즘 개발에 열중하고 있다. 루킨은 “이러한 알고리즘은 과학적으로 적용해볼 수 있는 유용한 양자 우위(quantum advantage)를 보여줄 첫 번째 예라고 할 수 있다”고 밝혔다.

큐에라의 투자자 중에는 일본의 인터넷 서비스, 전자상거래, 핀테크 기업 라쿠텐(Rakuten)도 있다. 라쿠텐은 4G 및 5G 모바일 서비스를 위한 안테나 위치 최적화 문제를 탐구하는 데 흥미가 있다. 라쿠텐의 최고 데이터관리자 기타가와 다쿠야는 “또한 그 기술에는 배달 경로, 주식 포트폴리오, 검색 엔진에서 추천까지 여러 가지 최적화 문제를 해결할 잠재력이 있다. 이를 통해 원대한 꿈을 꿀 수 있다”고 말했다.

그러나 프레스킬은 큐에라의 양자컴퓨터가 최적화 문제에서 기존의 알고리즘보다 뛰어난 처리 능력을 보일 것이라는 점에는 그다지 낙관적이지 않다. ‘양자 우월성(quantum supremacy: 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터가 할 수 없는 일을 할 수 있는 지점을 묘사하는 말)’이라는 용어를 만들기도 했던 그는 “우리가 이른 시일 내에 최적화 문제에서 양자 우위를 목격할 수 있게 되리라는 강한 이론적 근거가 없다”고 주장하며, “그러나 연구에는 분명 가치가 있다”고 덧붙였다.

프레스킬은 자사의 플랫폼을 연구개발을 위해 사람들에게 공개하겠다는 큐에라의 계획에 관심이 많다. 그는 그 기계를 더 많은 사람들이 만져볼 수 있게 되면 기계를 어디에 가장 잘 활용할 수 있을지 알아내는 데 도움이 될 것이라고 설명했다. 그런 사람들이 양자컴퓨터를 그저 테트리스나 스페이스 인베이더 플레이에 사용하지 않기를 바란다.

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