양자컴퓨터, 마침내 ‘무조건적’ 양자 속도 우위 입증

연구를 이끈 USC 비터비공과대학 다니엘 리다(Daniel Lidar) 교수는 “기존에는 조건부 속도 향상만 입증됐지만, 이번 실험은 전제조건 없이 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 확실히 빠르다는 점을 보여주었다”고 설명했다.

양자 우월성의 시험대: 시몬 문제

연구에 사용된 알고리즘은 ‘시몬 문제(Simon’s Problem)’로, 이는 특정 수학 함수에서 숨겨진 규칙을 찾는 문제로, 암호해독 알고리즘 쇼어(Shor)의 전신으로 여겨진다. 양자컴퓨터는 이 문제를 해결함으로써 고전 컴퓨터보다 월등히 적은 연산으로 정답을 유추할 수 있었다.

리다 교수는 “양자컴퓨터가 시몬 문제에서 승리하는 방식은 고전 컴퓨터로는 도달할 수 없는 속도와 효율을 보여준다”고 말했다.

양자 하드웨어 성능 극대화 전략

연구팀은 하드웨어의 성능을 극대화하기 위해 네 가지 기술 전략을 적용했다. 먼저, 입력값의 범위를 제한해 필요한 연산을 최소화했고, 회로 최적화(transpilation)를 통해 연산을 단축했다. 가장 중요한 전략은 다이나믹 디커플링(Dynamical Decoupling)으로, 이는 외부 노이즈로부터 큐비트를 보호하는 펄스 제어 기술이다.

마지막으로, 알고리즘 종료 후 남는 측정 오류를 보정하기 위한 측정 오류 완화(Measurement Error Mitigation) 기법도 함께 적용했다. USC 박사과정 연구원이자 제1저자인 팟타라폰 싱카니파는 “이 조합이 없었다면 양자 속도 우위는 불가능했을 것”이라고 평가했다.

양자 우위 현실화 전환점

비록 시몬 문제는 실생활 문제에 직접 적용되지는 않지만, 이 실험은 양자컴퓨터가 실제로 고전 컴퓨터를 능가할 수 있다는 강력한 증거로 평가된다. 리다 교수는 “이제는 단순한 추상이 아니라, 양자컴퓨터가 현실적 경쟁력을 가졌음을 보여주는 전환점”이라고 강조했다.

다음 과제: 오라클 없는 문제 해결

연구팀은 향후 실질적 문제 해결 능력을 입증하기 위해, 정답을 미리 아는 ‘오라클’에 의존하지 않는 알고리즘과 더 큰 규모의 큐비트를 다룰 수 있는 시스템 개발에 집중할 예정이다. 또한 노이즈와 디코히런스를 낮추는 기술 진보도 필수 과제로 제시되고 있다.

이번 연구는 IBM 양자 혁신 센터로 지정된 USC에서 수행됐다. 리다 교수가 공동 설립한 ‘Quantum Elements, Inc.’도 IBM 양자 네트워크에 참여하고 있다.