양자적 정보 단위인 큐비트를 이용해 여러 가능성을 동시에 계산하는 양자컴퓨터는 ‘꿈의 컴퓨팅’으로 불린다. 하지만 양자 상태가 워낙 민감해 아주 미세한 진동이나 온도 변화에도 연산 오류가 속출한다는 약점이 있다. 최근 미국 양자컴퓨터 기업 퀀티넘이 오류율을 역대 최저 수준으로 낮추며 상용화가 가능한 양자컴퓨터의 문을 열었다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’에 6월 17일 게재됐다. doi: s41586-026-10676-4
퀀티넘이 만든 양자컴퓨터, ‘헬리오스’는 전자기장을 이용해 진공에 띄운 단일 원자(이온)를 큐비트로 쓰는 ‘이온트랩 방식’이다. 이온트랩은 자연계에 존재하는 원자를 사용해 모든 큐비트 간의 성질이 동일하고, 이온들이 전하를 띠고 있어 큐비트 간 연결이 유리하다. 그런데 이온트랩 방식은 제어해야 할 원자가 많아질수록 제어해야 할 전극과 레이저가 기하급수적으로 늘어나 시스템이 불안정해진다.
이에 퀀티넘 연구팀은 이온을 나노미터 단위로 제어하는 초정밀 전극 및 광학 기술로 이온을 구역 별로 나누어두고, 필요할 때만 연산 구역으로 이동시키는 ‘이동형 큐비트’ 방식을 개발했다. 이동형 큐비트는 모든 이온을 한꺼번에 사용하지 않고, 연산에 필요한 최적화된 자원만 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 논리 연산과 이온 냉각을 분리된 공간에서 동시에 수행할 수 있는 등의 특징을 지녀 대규모 큐비트를 구현하기 쉬워졌다.
헬리오스는 98큐비트라는 대규모 스케일을 달성함과 동시에, 양자 연산의 핵심 척도인 ‘2큐비트 게이트’에서 99.92%라는 충실도(정확도)를 기록했다. 계산 과정에서 발생하는 오류율이 단 0.08%에 불과하다는 뜻이다. 양자컴퓨터는 큐비트 수가 늘어날수록 충실도가 떨어지는 것이 일반적인데 헬리오스는 98큐비트의 시스템에서, 심지어 냉각과 연산이 반복되는 환경에서 높은 충실도를 달성했다. 특히 충실도는 전체 시스템 내 모든 운영 구역을 평균 낸 것로 시스템이 고른 성능을 낸다는 것을 의미한다.
연구팀은 과거 구글이 양자 우위(고전 컴퓨터로는 현실적인 시간 안에 해결할 수 없는 문제를 양자컴퓨터가 수행해 내는 단계)를 주장할 때 사용했던 ‘무작위 회로 샘플링(RCS)’ 방식으로 헬리오스의 성능을 시험했다. 그 결과, 헬리오스는 특정 RCS 벤치마크에서 현재 알려진 슈퍼컴퓨터의 연산 능력을 뛰어넘는 양자 우위를 증명해 냈다. 헬리오스 수석 설계자인 퀀티넘의 토니 랜스포드 연구원은 “헬리오스는 고전적 시뮬레이션만으로 다룰 수 있는 범위를 넘어섰으며, 양자컴퓨터의 정확도와 복잡성에서 새로운 기준을 세웠다”고 보도자료에서 밝혔다.
헬리오스 시스템의 구조
