IBM, 2028년까지 세계 최초 대규모 ‘오류 정정 양자컴퓨터’ 개발 목표

IBM은 자체 오류 정정 기술을 바탕으로 2028년까지 오류를 스스로 식별 및 수정할 수 있는 대규모 양자컴퓨터를 개발할 계획이라고 밝혔다.

IBM이 10일(현지시간) 현존하는 양자 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 연산 능력을 갖춘 ‘오류 정정 양자컴퓨터(error-corrected quantum computer)’를 2028년까지 개발하겠다는 구체적인 계획을 발표했다. 또한 이 컴퓨터를 2029년까지 클라우드를 통해 일반인들도 사용할 수 있도록 제공할 예정이라고 밝혔다.

‘스탈링(Starling)’으로 명명된 이 양자컴퓨터는 여러 개의 칩이 내장된 개별 모듈이 서로 연결된 네트워크 구조로 구성되며, 뉴욕주 포킵시에 새로 조성되는 데이터 센터에 설치될 예정이다. 제이 감베타(Jay Gambetta) IBM 양자 이니셔티브 담당 부사장은 “우리는 이미 이를 위한 데이터 센터 건설에 착수했다”고 전했다.

IBM은 스탈링이 양자컴퓨터 기술을 획기적으로 발전시킬 것으로 기대한다. 특히 IBM은 이 컴퓨터를 오류 정정 기능을 실제로 구현한 최초의 대규모 양자컴퓨터로 개발하고자 한다. 스탈링이 이러한 목표를 달성한다면 IBM은 현재 양자컴퓨팅 분야에서 가장 큰 기술적 난제를 해결해 구글, 아마존웹서비스(AWS), 그리고 보스턴의 큐에라(QuEra), 캘리포니아 팔로알토의 싸이퀀텀(PsiQuantum)과 같은 스타트업들과의 경쟁에서 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다.

물론 IBM을 비롯한 업계 전반에서는 앞으로도 많은 연구와 개발이 요구된다. 그러나 감베타는 IBM이 대규모 양자컴퓨터에 오류 정정 기능을 구현하는 데 필요한 구성 요소를 이미 확보하고 있어 경쟁사에 비해 유리한 위치에 있다고 보고 있다. 이는 알고리즘 개발부터 칩 패키징까지 전반적인 기술 향상을 포함한다. 그는 “우리는 양자 오류 정정의 핵심 원리를 파악했고 이제 과학적 개념을 실제 기술로 구현하는 단계에 들어섰다”고 말했다.

양자컴퓨터에서 오류를 정정하는 일은 기존 컴퓨터와 다른 고유한 연산 방식으로 인해 까다로운 기술적 과제로 여겨져 왔다. 기존 컴퓨터는 정보를 0 또는 1 중 하나의 값으로 표현하는 비트(bit)를 사용하는 반면 양자컴퓨터는 이 두 값이 동시에 존재할 수 있는 ‘중첩(superposition)’ 상태를 표현하는 큐비트(qubit)를 기반으로 한다. IBM은 미세 초전도 회로로 제작한 큐비트를 절대 영도에 가까운 온도로 유지하며 칩 위에 상호 연결된 방식으로 배치한다. 한편 다른 기업들은 중성 원자, 이온, 광자 등 다양한 재료를 활용해 큐비트를 개발하고 있다.

양자컴퓨터는 때때로 오류를 일으킨다. 예를 들어 하드웨어가 하나의 큐비트에서 연산을 수행할 때 계산에 포함되어서는 안 되는 인접 큐비트까지 실수로 변경하는 경우가 있다. 이러한 오류는 시간이 지날수록 누적된다. 오류 정정이 이뤄지지 않으면 양자컴퓨터는 신소재 또는 신약 개발에 사용되는 매우 정교한 화학 시뮬레이션처럼 과학적·상업적 가치를 창출하는 복잡한 알고리즘을 정확하게 수행할 수 없다.

그러나 오류를 정정하려면 상당한 수준의 하드웨어 자원이 추가로 필요하다. 이는 오류 정정 알고리즘이 하나의 ‘물리적(physical)’ 큐비트에 하나의 정보 단위를 저장하는 대신 여러 개의 물리적 큐비트로 구성된 집합, 즉 ‘논리적 큐비트(logical qubit)’에 정보 단위를 인코딩하기 때문이다.

현재 양자컴퓨팅 연구자들은 최적의 오류 정정 방식을 개발하기 위해 경쟁하고 있다. 구글의 표면 코드(surface code) 알고리즘은 오류를 효과적으로 정정할 수 있지만 메모리에 하나의 논리적 큐비트를 저장하는 데 약 100개의 큐비트가 필요하다. AWS의 오셀롯(Ocelot) 양자컴퓨터는 물리적 큐비트 9개로 하나의 논리적 큐비트를 저장하는 방식으로 효율을 높였다(데이터를 저장하기 위해 연산을 수행하는 큐비트의 경우에는 더 많은 리소스가 요구된다). 한편 IBM의 오류 정정 알고리즘인 저밀도 패리티 검사 코드(low-density parity check code)를 사용하면 물리적 큐비트 12개로 하나의 논리적 큐비트를 저장할 수 있으며 이는 AWS와 유사한 수준의 효율이다.

스탈링의 설계에서 가장 특징적인 요소 중 하나는 실시간으로 오류를 진단하는 능력, 즉 디코딩(decoding) 기능이다. 디코딩이란 양자컴퓨터로부터 측정된 신호가 오류로 인한 것인지 여부를 판별하는 과정이다. IBM은 기존 반도체 칩인 FPGA에서 빠르게 실행할 수 있는 디코딩 알고리즘을 개발했다. 영국의 양자컴퓨팅 스타트업 리버레인(Riverlane)의 닐 길레스피(Neil Gillespie)는 “이 기술이 IBM 오류 정정 방식의 ‘신뢰성’을 높여준다”고 평가했다.

다만 궁극적으로 어떤 오류 정정 방식이나 설계가 주류가 될지는 아직 단정하기 어렵다. 길레스피는 “최종적으로 어떤 구조가 표준이 될지는 아직 확실하지 않다”고 말했다.

IBM은 스탈링이 기존 컴퓨터로는 수행할 수 없는 계산을 처리할 수 있기를 기대하고 있다. 스탈링에는 IBM이 자체 제작한 칩을 기반으로 200개의 논리적 큐비트가 탑재되어 1억 회에 달하는 논리 연산을 연속으로 정확하게 수행할 수 있을 것으로 전망된다. 현재 양자컴퓨터가 수행할 수 있는 연속 논리 연산의 횟수는 수천 회에 불과하다.

감베타는 “이번 시스템은 지금까지의 어떤 사례보다 훨씬 더 큰 규모에서 오류 정정 기술을 시연하게 될 것”이라고 주장했다. 과거 구글과 아마존이 시연한 오류 정정 실험은 하나의 칩으로 구성된 단일 논리적 큐비트 수준이었다. 감베타는 이러한 실험을 “장난감(gadget) 수준의 소규모 실험”이라고 평가했다.

다만 스탈링이 실용적인 문제 해결에 기여할 수 있을지는 아직 불확실하다. 일부 전문가들은 유용한 알고리즘을 실행하려면 오류가 정정된 논리 연산이 최소 10억 회 이상 누적되어야 한다고 본다. 볼프강 파프(Wolfgang Pfaff) 일리노이 대학교 어배너-섐페인 캠퍼스 물리학자는 “스탈링은 흥미로운 과도기적 기술”이라면서도 “경제적 가치를 창출하기는 어려울 것”으로 내다봤다(양자컴퓨팅 하드웨어를 연구하는 파프 교수는 IBM으로부터 연구 자금을 지원받았지만 스탈링 프로젝트에는 참여하지 않았다).

그럼에도 파프는 스탈링의 개발 일정이 현실적인 수준이라고 평가했다. 그는 IBM이 제시한 설계가 “실험적 및 공학적 개념에 기반하고 있는 꽤 설득력 있는 접근”이라고 언급했다. 하지만 양자컴퓨터를 구축하는 일은 매우 어려운 과제이며 예기치 못한 기술적 변수로 인해 IBM이 제시한 일정이 지연될 가능성도 있다. 파프는 대규모 오류 정정 양자컴퓨터의 구현을 두고 “이 정도 규모에 도전하는 것은 이번이 처음”이라고 덧붙였다.

IBM은 스탈링 개발에 앞서 소형 양자컴퓨터를 순차적으로 구축해 나가는 단계적 로드맵을 제시하고 있다. IBM은 올해 ‘룬(Loon)’이라는 칩을 통해 오류가 정정된 정보를 안정적으로 저장할 수 있음을 시연하고, 2026년에는 정보 저장과 연산이 모두 가능한 모듈형 장치 ‘쿠카부라(Kookaburra)’를 개발할 예정이다. 이어 2027년 말까지는 쿠카부라 모듈 두 개를 연결한 양자컴퓨터 ‘코카투(Cockatoo)’를 제작할 계획이다. 이 모든 과정을 성공적으로 마치면 약 100개의 코카투 모듈을 연결해 스탈링을 완성하는 것이 IBM의 최종 목표다.

파프는 “이 전략은 최근 양자컴퓨터 확장을 위해 업계가 채택한 ‘모듈화(modularity)’ 접근 방식을 반영한 것”이라고 설명했다. 이는 초기 설계 방식처럼 단일 칩에 큐비트를 집적하는 대신 여러 모듈을 네트워크로 연결해 시스템을 확장하는 방법이다.

IBM은 2029년 이후의 계획도 제시하고 있다. 스탈링에 이어 개발될 차세대 시스템 ‘블루 제이(Blue Jay)’에는 2,000개의 논리적 큐비트가 탑재될 예정이며 최대 10억 회의 논리 연산을 수행할 수 있을 것으로 기대된다(참고로 IBM의 로드맵에 포함된 모든 시스템에는 감베타의 취향을 반영해 새(bird) 이름이 붙여져 있다).

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