양자 컴퓨터, 메모리에서 ‘양자 정보 우위’ 입증

12 큐비트로 62비트 이상 고전 메모리 대체 가능성

최첨단 양자 정보 과학 분야에서 ‘양자 정보 우위(quantum information supremacy)’를 입증한 획기적 실험 결과가 발표됐다. 미국 텍사스대학교 오스틴(UT Austin) 연구팀을 중심으로 한 국제 협력 연구진은 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터가 절대로 도달할 수 없는 메모리 자원 활용 능력을 실제 환경에서 입증했다고 보고했다. 이는 단순한 속도 우위가 아니라 정보 저장의 본질적 자원격차를 보여준 사례로 평가된다.

왜 ‘메모리 우위’인가?

양자 컴퓨터는 전통적인 비트(bit)가 가질 수 있는 0 또는 1 상태 대신 큐비트(qubit) 를 사용하며, 이 큐비트는 여러 상태가 중첩(superposition) 또는 얽힘(entanglement)의 형태로 존재할 수 있다. 이로 인해 양자 시스템은 고전 시스템이 가질 수 없는 거대한 힐베르트 공간(Hilbert space)을 활용할 가능성을 갖는다.

그럼에도 지금까지 “양자 메모리의 우위가 실제로 현실 환경에서 이용 가능하다”고 증명하기는 매우 어려웠다.

그 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 현실 하드웨어에서 구동 가능해야 한다. 실험은 노이즈, 오류, 제어 한계 등을 감안한 현실 장비 위에서 이루어져야 한다. 둘째, 어떤 고전 알고리즘도 미래에 동일한 성능을 낼 수 없다는 무조건적 수학적 증명이 필요하다.

연구팀은 출판전논문 사이트 아르시브(arxiv) 논문에서 이 두 기준을 모두 충족시킨 실험과 이론적 분석을 제시했고, 이를 통해 ‘무조건적 분리(unconditional separation)’을 달성했다고 주장한다.

실험 설계와 핵심 결과 : 메모리 수요 계산

논문에 따르면 연구진은 다음과 같은 방식으로 실험을 설계했다. 먼저 연구진은 양자 시스템을 Alice와 Bob으로 나눴다. Alice가 양자 상태를 준비해 Bob에게 전달하면, Bob은 그 상태를 측정하여 무엇이 전송되었는지 예측해야 한다. 이 과정은 양자 얽힘과 중첩을 활용하여 메시지 전달을 최적화하는 구조로 설계됐다.

다음으로 최적화 반복 및 통계 분석을 거듭 했다. 이 과정을 1만 회 이상 반복하면서 다양한 매개변수를 조정했고, 이를 바탕으로 양자-고전 간의 성능 격차를 통계적으로 분석했다.

분석 결과, 동일한 성공률을 유지하려면 고전 컴퓨터 쪽에서는 최소 62비트의 메모리를 필요로 하지만, 양자 장치는 단지 12 큐비트만으로 동일 과제를 해결할 수 있었다. 이는 “고전 자원으로는 결코 구현할 수 없는 문제 해결 능력”을 실험적으로 보여주는 것이다.

연구진은 이를 양자 정보 우위(quantum information supremacy)라는 새로운 기준으로 명명했다. 기존 양자 우위 주장들이 종종 복잡성 이론상의 가정에 기반하던 것과 달리, 이 실험은 그러한 가정 없이도 이루어진 점을 강조하고 있다.

이 실험은 단순히 ‘먼 가능성’에 머물던 양자 메모리 우위 개념을 현실로 끌어온 계기로 평가된다. 기존 암호학 및 정보 보안은 물론, 복잡계 모델링 및 시뮬레이션으로 물리·화학·생물학적 복합 시스템에서의 시뮬레이션 작업을 가속화할 수 있다. 신소재 개발, 약물 설계 등 매우 큰 상태 공간을 탐색해야 하는 최적화 문제에서 우위를 지닐 수 있다.

다만, 이 기술이 실제 실용 단계에 도달하기까지는 여러 난관이 남아 있다. 먼저 스케일업 문제로 12 큐비트 실험을 수백, 수천 큐비트 수준으로 확장해야 한다. 다음으로 오류율 제어로 현재 양자 하드웨어의 오류율을 낮추고 안정성을 확보해야 한다. 피어리뷰 검증과 재현성도 통과해야 한다.

한편, 이 실험은 Quantinuum의 H1-1 트랩 이온(trapped-ion) 양자 컴퓨터 상에서 이루어졌다고 논문은 밝히고 있다. 가장 우수한 2-큐비트 얽힘 게이트의 부분적 얽힘(fidelity)은 99.941 (±0.007)% 수준이었다는 수치도 공개됐다. 고전 알고리즘 쪽에서는 “가장 메모리 효율적인 알고리즘”조차 62비트에서 382비트 범위 내의 메모리가 필요하다는 하한선을 이론적으로 증명했다는 점이 강조된다.

연구팀은 이 우위를 “기존의 복잡성 이론적 가정(예: 특정 난제의 계산 복잡도 가정)”에 의존하지 않는 형태로 구축했다는 점을 강조한다. 즉, 수학적으로 고전-양자 분리를 강제하는 방식이다.

*William Kretschmer et al, Demonstrating an unconditional separation between quantum and classical information resources, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2509.07255