[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 꿈의 기술로 여겨졌던 양자 컴퓨팅의 실현 가능성을 크게 높인 데는 알파벳(GOOGL) 자회사 구글이 개발한 윌로우(Willow) 칩의 역할이 컸다.

2024년 12월 공개된 윌로우 칩은 IT 구루들 사이에 실용적인 양자 컴퓨팅 시대로 가기 위한 길을 열었다는 평가를 받는다.

사실 IBM(IBM)과 마이크로소프트(MSFT), 아마존(AMZN) 등 빅테크들은 구글보다 훨씬 이전부터 양자 컴퓨팅 연구에 뛰어들었고, 단순 가설이나 이론 차원이 아닌 실질적인 성과와 발전을 쌓아 왔다.

구글이 실용성 있는 대규모 양자 컴퓨터 구축에 뛰어든 것은 10여년 전이다. 지난 2012년 구글 퀀텀 AI가 출범하면서 장기적인 로드맵을 수립했고, 윌로우 칩은 커다란 이정표에 해당한다.

업계 전반의 굵직한 성과물 가운데 특히 구글의 윌로우 칩이 획기적이라는 호평을 얻는 데는 크게 두 가지 이유가 자리잡고 있다.

양자 역학 분야의 연구자들이 30여년 동안 풀지 못했던 양자 오류 정정의 핵심 사안을 해결했고, 이를 통해 대규모 양자 컴퓨팅 기술을 현실 세계에 적용할 수 있는 가능성을 열었다고 석학들은 강조한다.

속도 측면에서도 윌로우 칩은 커다란 돌파구로 통한다. 오늘날 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터 중 하나가 10셉틸리언(10의 25 제곱) 년 걸려 계산하는 표준 벤치마크를 단 5분 이내에 수행해 낸 것. 업체는 우주의 나이를 초과하는 숫자를 돌파하며 말 그대로 빛의 속도를 달성한 셈이라고 주장한다.

◆ '양자 오류 정정' 임계치 이하 달성, 의미는 = 양자 컴퓨팅 기술을 현실화하는 데 가장 풀기 어려운 과제는 오류였다.

양자 컴퓨터의 계산 단위인 큐비트(qubit)는 환경과 빠르게 정보를 교환하는 경향을 가진 동시에 계산을 완료하는 데 필요한 정보를 보호하기 어렵다는 단점을 지니고 있다.

구글 윌로우 칩 [사진=업체 제공]

일반적으로 더 많은 큐비트를 사용할수록 양자 컴퓨터의 파워가 강력해 지는데, 문제는 큐비트가 늘어나는 만큼 오류 역시 증가한다는 사실이다. 이는 양자 알고리즘을 현실 세계에 사용하는 데 치명적인 걸림돌로 지목된다.

구글의 윌로우 칩은 더 많은 큐비트를 사용해 규모를 확장하면서도 오류를 기하급수적으로 줄이는 것으로 확인됐다.

업체는 보고서를 통해 "물리적 큐비트 배열을 점점 더 크게 확대하며 테스트하는 과정에 양자 오류 정정의 최신 기술을 활용해 오류율을 절반으로 줄일 수 있었다"며 "오류율의 기하급수적 감소를 달성한 것"이라고 설명했다.

업체는 윌로우 칩을 통해 이룬 성과를 권위 있는 학술지 네이처(Nature)에 발표하며 "이번 성과가 양자 역학 분야에서 '임계값 이하'로 알려져 있다"고 밝혔다.

오류 정정에서 진정한 진전을 보여주려면 임계값 이하를 입증해야 하는데, 1995년 피터 쇼어가 양자 오류 정정을 도입한 이래 미해결 과제로 남아 있는 문제가 마침내 해결됐다는 얘기다.

윌로우 칩이 임계값 이하를 달성한 최초의 시스템으로, 지금까지 구축된 확장 가능한 논리적 큐비트의 가장 설득력 있는 프로토타입이라고 구글은 주장한다.

쉽게 풀어 말하면, 대규모의 실용적인 양자 컴퓨터가 실제로 구축될 가능성을 윌로우 칩을 통해 열었다는 의미다. 기존 컴퓨터로는 복제할 수 없는 실용적이고 상업적인 알고리즘을 실행하는 단계에 한발 더 가까이 다가섰다는 얘기다.

오류 정정과 별도로 윌로우 칩은 개별 물리적 큐비트보다 윌로우의 큐비트 배열이 더 긴 수명을 가지며, 때문에 양자 시스템을 안정적으로 가동할 수 있게 됐다고 구글은 설명한다.

◆ 우주의 나이를 초과하는 속도 = 양자 컴퓨팅 칩의 주요 성능 가운데 빼놓을 수 없는 것이 속도다.

구글은 윌로우 칩의 성능 측정 기준으로 랜덤 회로 샘플링(RCS)을 사용했다. 구글 팀이 개척했고, 이제 해당 분야의 표준으로 널리 사용되는 RCS는 오늘날 양자 컴퓨터 수행에 가장 어려운 벤치마크로 통한다.

RCS는 양자 컴퓨팅 기술의 진입점으로 볼 수 있는데, 양자 컴퓨터를 구축하는 모든 팀은 가장 먼저 RCS를 근간으로 고전 컴퓨터를 능가하는지 여부를 확인해야 한다. 이를 통해 개발 팀이 구축한 양자 컴퓨터가 기존의 컴퓨터로는 해결할 수 없는 계산을 풀어낼 수 있는지 확인하게 된다.

성능이 벤치마크를 통과하지 못할 경우 복잡한 양자 작업을 처리할 수 있다고 보기 어렵다는 것이 업계의 중론이다.

윌로우 칩의 성능은 합격점으로 나타났다. 기존의 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로 10의 25제곱 년이 걸리는 계산을 5분만에 해낸 것. 숫자로 쓰면 10,000,000,000,000,000,000,000,000년에 해당한다.

구글은 이 숫자가 물리학에서 알려진 시간의 척도를 초과할 뿐 아니라 우주의 나이도 초과한다고 주장한다. 우주의 나이가 138억년으로 알려져 있는데, 이보다 훨씬 긴 시간을 뛰어넘었다는 얘기다.

아울러 양자 계산이 많은 평행 우주에서 발생한다는 개념에 신빙성을 부여하는 결과이며, 데이비드 도이치가 처음 주장한대로 인류가 이른바 다중우주에 살고 있다는 아이디어와 일치한다고 설명한다.

양자 컴퓨터는 0 아니면 1로 계산하는 일반 컴퓨터의 단위인 비트(bit)와 달리 0이면서 동시에 1일 수 있는 큐비트(qubit)를 근간으로 한다. 이를 '양자 중첩'이라고 지칭한다.

과학자들은 윌로우 칩을 두고 "평행우주에서 동시에 계산하는 것과 마찬가지"라고 말한다. 하나의 우주가 아니라 무수히 많은 우주에서 동시에 문제를 풀고 답을 가져오는 이치라는 얘기다.

빠르다는 것은 매우 실용적이고 현실적인 의미다. 빛의 속도로 계산하는 양자 칩을 이용해 십 수 년 걸리는 신약 개발 기간을 대폭 단축시킬 수도 있고, 보다 안전하고 견고한 배터리 제조와 보다 정확한 일기 예보까지 가능해 진다고 업계 전문가들은 말한다.

◆ 칩 제조 시설부터 첨단 = 구글은 윌로우 칩 개발에 성공한 데는 우수한 연구진 뿐 아니라 최첨단 제조 시설이 뒷받침 됐다고 강조한다.

처음부터 첨단 양자 칩을 개발, 제조하기 위한 목적을 가지고 건설된 시설이 전세계를 통틀어 몇 안 된다는 것.

구글 퀀텀 AI의 랩 [사진=업체 제공]

양자 칩이 우수한 성능을 내려면 큐비트의 양 뿐만 아니라 질적인 측면도 중요하다고 업체는 말한다. 윌로우 칩은 105개의 큐비트로 양자 오류 정정과 RCS에서 동급 최고의 성능을 보인다.

사실 큐비트의 수를 기준으로 하면 IBM이 앞선다. 업체가 개발한 칩 가운데는 1000개 이상의 큐비트를 가진 것도 있다.

하지만 큐비트의 수가 양자 칩의 성능과 비례하지 않는다. 비유를 들자면, 구글 윌로우는 105명의 학생으로 높은 성적을 내는 학교인 데 반해 IBM의 제품은 학생 수가 10배 가까이 많지만 평균 성적은 뒤처지는 학교인 셈이다.

진짜 혁신은 큐비트의 양이 아니라 오류를 줄이는 기술이라는 것이 구글의 판단이고, 윌로우 칩을 통해 실용적인 양자 컴퓨터를 개발하는 데 가장 커다란 장애물을 해결했다.

구글은 윌로우 칩에 대한 자료에서 "양자 칩을 설계하고 제작할 때 핵심은 시스템 엔지니어링인데, 단일 및 이중 큐비트 게이트와 큐비트 리셋, 판독과 같은 칩의 모든 구성 요소가 동시에 제대로 설계되고 통합돼야 한다"고 설명한다.

특정 구성 요소가 뒤처지거나 두 구성 요소가 함께 잘 작동하지 않으면 전체 시스템의 성능이 저하된다는 얘기다.

업체는 윌로우 칩이 속도 뿐 아니라 큐비트의 상태, 즉 핵심 양자 계산 자원을 얼마나 오래 유지하는가를 측정하는 지표에서도 뛰어난 성능을 보인다고 밝혔다. 이전 세대 칩에 비해 윌로우 칩이 5배 가까이 개선됐다는 것.

◆ 윌로우 칩, 왜 게임체인저인가 = 양자 칩은 일반 컴퓨터의 CPU(중앙처리장치)처럼 양자 컴퓨터의 두뇌에 해당한다.

양자 컴퓨터는 양자 칩만으로 작동할 수 없다. 칩이 가장 핵심적인 부분이지만 이와 함께 오류를 잡아내는 소프트웨어와 큐비트를 조종하는 제어 장치, 여기에 칩을 영하 273도 근처까지 냉각시키는 시스템이 필요하다.

구글이 보고서를 통해 "시스템 엔지니어링이 핵심"이라고 강조한 것도 칩과 함께 모든 시스템이 맞물려 작동하기 때문이다.

업체는 윌로우 칩을 처음부터 오류 정정을 염두에 두고 설계했다. 이와 동시에 칩에 최적화된 오류 정정 알고리즘을 개발했고, 제어 시스템도 함께 설계했다.

윌로우 칩은 하드웨어인 양자 칩과 함께 오류 정정 소프트웨어를 포함한 하나의 통합 패키지라는 설명이다.

칩 자체의 설계, 즉 큐비트의 배치에서도 구글의 기술력이 확인된다. 3X3, 5X5, 7X7의 격자 형태로 큐비트를 배열한 한편 큐비트끼리 연결시키는 방식이 오류 정정을 고려한 설계라는 얘기다.

즉, 하드웨어에 해당하는 칩이 계산을 실행하는 과정에 오류 정정 소프트웨어가 실시간 분석을 가동하고, 오류가 발견되면 칩에 명령을 내려 수정하도록 하는 구조다.

이 밖에 윌로우 칩은 초전도 회로 기반으로 제작됐고, 조셉슨 접합 등 최첨단 기술과 약 10밀리케빈의 극저온 환경에서 작동한다.

◆ 현실적인 상용화 길 열었다 = 구글의 윌로우 칩은 이해할 수 없는 속도와 양자 오류 수정의 임계치 돌파를 통해 양자 우월성을 입증하는 데서 한 단계 더 나아가 대규모 양자 컴퓨터의 상용화로 가기 위한 첫 문턱으로 평가 받는다.

알파벳 주가 추이 [자료=블룸버그]

양자 오류 수정의 임계점 돌파는 논리적 큐비트와 표면코드 등 두 가지 핵심 기술을 기반으로 이룬 결실이다.

논리적 큐비트(logical qubit) 기술은 여러 물리적 큐비트를 묶어 전체 오류를 감지 또는 보정하며, 대규모 계산을 안정적으로 지속 가능하게 하며, 표면코드(surface code)는 앞서 언급한 대로 큐비트를 격자 형태로 배치해 환경 간섭이나 전자 잡음 등 연산 중 발생하는 오류를 자동적으로 감지해 수정하는 기술을 말한다.

임계점은 양자 컴퓨팅이 더 커질수록 안정성과 성능이 함께 좋아지는 지점을 의미하고, 임계점 돌파는 앞으로 본격적인 양자 컴퓨터 시대의 개막으로 해석된다.

업계 전문가들과 주요 외신들은 구글의 윌로우 칩이 양자 오류 수정과 확장성, 안정성 등 세 마리 토끼를 처음으로 다 잡은 결과물이라고 입을 모은다. 현실 세계에서 양자 컴퓨터를 실용화할 수 있는 기술적 단계에 도달했다는 얘기다.

구글의 윌로우 칩은 IT 뿐 아니라 주요 산업 전반에 커다란 의미를 갖는다. 의약품의 분자 설계와 에너지 최적화, 복잡한 금융 시뮬레이션, 신소재 개발 등 다방면에서 기존 슈퍼 컴퓨터로 풀 수 없는 문제를 해결할 수 있게 됐기 때문.

IT 구루들은 윌로우 칩과 동급의 칩들이 실질적인 산업 및 사회 난제들을 획기적으로 해결해 내는 양자 시대가 결코 먼 미래가 아니라고 말한다.

◆ 구글의 또 다른 양자 컴퓨팅 성과물은 = 구글은 2024년 12월 공개한 윌로우 칩에 이어 2025년 들어서도 작지 않은 양자 컴퓨팅 부문의 성과를 이뤄냈다.

업계가 가장 관심을 보이는 부분은 이른바 생성형 양자 우위(generative quantum advantage) 개념의 실험적 검증이다.

보도에 따르면 구글은 9월 68큐비트 초전도 프로세서로 양자 회로 압축과 복잡한 패턴의 생성, 학습한 양자 상태에서 새로운 출력값 생성 등이 가능한 모델을 제시했다.

지금까지 무작위 출력값 생성과 달리 데이터를 기반으로 양자 컴퓨터가 패턴을 '학습'해 생성적 작업에 활용할 수 있다는 사실을 입증해 낸 것. 이는 기존의 인공지능(AI)이 따라가기 힘든 성능이라고 업계는 판단한다.

앞서 6월에는 구글 연구진이 초전도 큐비트 플랫폼에서 색상 코드 기반의 양자 오류 수정을 구현하는 데 성공했다. 이는 논리 큐비트 오류의 내성을 강화하는 방법 중 하나로, 향후 실제 응용 영역을 확장하는 데 크게 힘을 실어줄 전망이다.

영국 BBC를 포함한 외신들은 구글이 윌로우 칩 이외에도 여러 측면에서 경쟁사들을 압도하는 결과물을 내놓았고, 이는 앞으로 양자 컴퓨팅의 실제 응용과 산업화에 한 단계 다가서게 하는 기술적 기반이 될 것이라고 기대한다.

미국 경제 매체 CNBC는 구글 측은 굵직한 기술적 성과를 앞세워 양자 컴퓨터의 실용화에 커다란 자신감을 내비치고 있다고 보도했다.

신약 개발을 위한 분자 설계와 핵 융합 시뮬레이션, 신소재 개발 등에 필요한 기술력을 앞으로 5~10년 이내에 갖출 수 있다는 전망이다.

shhwang@newspim.com