구글, 세계 최초 ‘검증 가능한 양자 우위’ 달성
양자컴퓨터 실용 양자 알고리즘, 슈퍼컴퓨터보다 1만3000배 빠른 계산 입증
구글 퀀텀 AI(Quantum AI) 팀이 새로운 양자 알고리즘 ‘Quantum Echoes’를 통해 세계 최초로 검증 가능한 양자 우위(verifiable quantum advantage)를 달성했다고 23일(현지시각) 밝혔다.
구글은 블로그를 통해 연구 결과를 공개하고 이번 성과를 “양자컴퓨팅 실용화를 향한 결정적 진전”으로 평가했다.
이번 연구는 과학저널 Nature 표지 논문으로 게재됐다.
혼돈(Chaos) 이용한 양자 계산
자연계의 혼돈 현상은 미세한 변화가 큰 결과를 낳는 ‘나비 효과’로 알려져 있다. 구글 연구진은 이러한 혼돈의 양자적 버전(quantum chaos)을 이용해, 기존 컴퓨터로는 사실상 계산 불가능한 복잡한 양자 현상을 직접 측정하는 데 성공했다.
이번에 개발된 Quantum Echoes 알고리즘은 ‘시간을 거꾸로 되감는’ 방식의 양자 회로를 통해 OTOC(Out-of-Time-Order Correlator)라는 새로운 양자 물리량을 측정한다. OTOC는 양자계의 혼돈도와 상호작용 정도를 보여주는 지표로, 양자정보 스크램블링(quantum information scrambling)을 분석하는 데 핵심 역할을 한다.
연구진은 구글의 양자 프로세서 ‘Willow’ 칩에서 103개의 큐빗을 활용해 실험을 수행했다. 그 결과, 양자 간섭(quantum interference) 현상을 정밀하게 포착했으며, 이는 기존의 임의 회로 샘플링(random circuit sampling)보다 훨씬 높은 재현성(verifiability)을 확보한 결과다.
슈퍼컴퓨터보다 1만3000배 빠른 계산
구글에 따르면, 퀀텀AI 연구팀이 수행한 OTOC 측정은 세계 최강 슈퍼컴퓨터 ‘프론티어(Frontier)’로 계산할 경우 약 3.2년이 걸리지만, Willow 칩에서는 단 2시간 만에 수행됐다. 계산 속도로 환산하면 약 13,000배의 향상이다.
연구진은 또한 9종의 클래식 시뮬레이션 알고리즘을 직접 구현해 결과를 검증했지만, 어느 것도 2차 OTOC 측정값을 재현하지 못했다. 이는 양자간섭이 만들어내는 복잡한 확률 진폭 구조가 고전 알고리즘으로는 모사할 수 없음을 의미한다.
분자 구조 예측·신소재 연구로 응용 가능
구글은 이번 연구가 단순한 ‘양자 우위’ 시연을 넘어 실제 과학적 문제 해결에 한 발 더 다가선 것이라고 강조했다.
연구진은 ‘해밀토니언 학습(Hamiltonian learning)’ 기법을 제안해, 양자컴퓨터가 실제 물질의 물리 신호(예: 핵자기공명 데이터)를 분석하고 분자 구조를 역으로 추정하는 방식을 시도했다.
UC 버클리 Pines 자기공명센터와 협력한 실험에서는 액정 속 유기분자의 OTOC 신호를 측정하고, Willow 칩에서 이를 시뮬레이션한 결과 더 정밀한 분자 모델을 도출했다. 이는 NMR(핵자기공명) 기술과 양자컴퓨팅의 융합 가능성을 보여주는 사례로 평가받고 있다.
구글 “양자컴퓨터의 실용적 미래를 연 계기”
구글 Quantum AI 총괄은 “이번 연구는 양자 계산 결과가 다른 양자컴퓨터나 자연계 실험으로 검증 가능한 첫 사례”라며 “이는 단순한 기술 시연이 아니라, 분자 모델링·신소재·의약품 개발 등 실제 산업 응용으로 나아가는 중요한 이정표”라고 말했다.
이번 연구는 구글 Quantum AI 와 UC 버클리, 캘리포니아대 산타바버라 팀이 공동 수행했으며, Nature 논문 「Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity」로 공개됐다.
