양자 컴퓨터는 특정 작업에서 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터보다 몇 배나 적은 에너지를 사용하는 것으로 나타났다.

양자 컴퓨터 기존 슈퍼 컴퓨터로 불가능에 가까운 계산을 수행하는 단계를 양자 우위(quantum supremacy) 또는 양자 이점(quantum advantage)이라고 한다. 2019년 9월 구글은 자사의 시카모어(Sycamore) 칩을 공개, 세계 최초로 양자우위 달성을 주장했다.

이후 양자 우위 달성 여부에 대한 논쟁이 이어졌다. 양자 우위를 입증할 객관적 벤치마크와 측정의 어려움 때문이다.구글 과학자들은 시카모어 칩이 단 200초만에 푼 특정 문제 해결에 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터로는1만 년이 걸린다고 주장했다. 이 후 IBM 물리학자들은 이것이 과자이며 슈퍼 컴퓨터는 2.5일 만에 해당 작업을 완료할 수 있다고 반박했다.

큐비트

양자 컴퓨터는 원칙적으로 양자 역학의 법칙을 사용해 가장 강력한 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산을 수행 할 수 있기 때문에 엄청난 가능성을 약속한다. 상대적으로 적은 수의 양자 비트(qubits) 수백에서 수천 개를 사용하면 실용적인 계산을 수행 할 수 있지만, 제어의 어려움으로 수 십 큐비트가 넘는 양자 컴퓨터를 만드는 것도 어려운 작업이다.

구글 시카모어칩은 중간 수준인 큐비트(54개)를 활용한다. 불안정한 큐비트 제어 측면에서 노이즈 때문에 NISQ(noisy intermediate-scale quantum)라고 한다.

양자 산업의 또 다른 과제는 최고의 큐비트 기술에 대한 합의가 없다는 것이다. 일부 회사는 초전도 큐비트를 선택하는 반면 다른 회사는 이온 포획(trapped-ion) 장치를 기반으로 작업을 하고 있다. 양자 어닐링(quantum Annealing) 등 최적화 문제에 지수함수적 속도 개선을 활용하는 양자 머신도 있다.

과학자들은 실제 문제를 해결하는 실용적인 양자 컴퓨터는 여전히 몇 년 거리에 있으며 벤치마킹이 필수적이라고 지적한다.

양자 컴퓨터에 분명하게 적용되는 한 가지 과제는 랜덤 양자 회로(RQC)의 출력을 계산하는 것이다. 이 벤치 마크는 구글이 지난해 양자 이점을 주장하기 위해 사용했다. 이 문제는 기존의 슈퍼 컴퓨터에서 “양자 시뮬레이터”프로그램을 실행해 해결할 수도 있다. 가장 중요한 문제는 양자 컴퓨터가 가장 강력한 양자 시뮬레이터보다 문제를 더 효율적으로 해결하는지 여부다.

효율성

다른 하나는 효율성을 정의하는 방법이다. 연구원들은 일반적으로 문제를 해결하는 데 걸리는 시간을 고려했다. 살바토레 만드라(Salvatore Mandrà) 등 미국 캘리포니아 NASA 암스 연구소(Ames Research Center), 구글(Google) 및 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Lab) 연구원들은 시간만 고려하는 것이 문제가 된다고 주장한다. 만드라는 “1코어 프로세서에서 1시간 걸리는 문제는 2코어 프로세서에서 30분, 4코어 프로세서에서 15분이 걸린다”라고 설명한다.

대신 과학자들은 NISQ와 기존 슈퍼 컴퓨터가 RQC 문제를 해결하는 데 필요한 에너지를 계산했다. 그들은 ‘qFlex’라는 프로그램을 설계했다. 이는 가장 효율적인 양자 시뮬레이터로 간주된다. 만드라는 시뮬레이션의 효율성이 적용되는 문제의 세부 사항에 관계없이 거의 일정하다는 사실을 설명한다.

연구팀은 암스의 엘렉트라(Electra) 슈퍼 컴퓨터와 세계에서 가장 강력한 오크리지의 써밋(Summit) 슈퍼 컴퓨터에서 qFlex를 구현했다. 그들은 계산을 수행하는데 소비 된 두 슈퍼 컴퓨터의 에너지를 NISQ가 사용하는 에너지와 비교했다. 연구진은 qFlex 구현에 Electra에서 97MWh가 필요하고 Summit에서 21MWh가 필요하다는 것을 발견했다. 반면 NISQ는 해당 문제 해결에  4.2×10−4 MWh만 소모했다. 평균적으로 매년 미국 가정에서 사용하는 에너지는 11MWh 수준이다.

관련 논문은 최근 ‘퀀텀 사이언스와 테크놀로지(Quantum Science and Technology)’에 실렸다.

*Establishing the quantum supremacy frontier with a 281 Pflop/s simulation