양자 컴퓨팅 분야에서 오랜 숙원이었던 '성배'—어떠한 가정이나 단서 없이 고전 컴퓨터를 지수적으로 앞서는 속도 향상—가 마침내 실현됐다.
이 획기적인 연구는 USC(남가주대학교)의 다니엘 리다 교수 주도로 USC와 존스홉킨스 대학 연구진이 함께 진행했으며, 결과는 Physical Review X에 게재됐다. 연구팀은 IBM의 강력한 127-큐비트 이글(Eagle) 양자 프로세서 두 대를 활용해, 쇼어의 소인수분해 알고리즘의 전신으로 여겨지는 수학적 퍼즐 'Simon의 문제'의 변형을 해결했다.
USC 비터비 공학 교수직을 맡고 있는 리다 교수는 "지수적 속도 향상은 양자 컴퓨터에서 기대하는 가장 극적인 성능 향상"이라며, 이번 성과의 의의는 속도 향상이 '무조건적'이라는 점에 있다고 설명했다. 즉, 고전 알고리즘에 대한 어떤 미증명 가정에도 의존하지 않는다는 의미다.
연구진은 양자 컴퓨팅의 최대 난제인 '노이즈(계산 오류)'를 극복하기 위해 고도화된 오류 완화 기법을 도입했다. 이에는 다이내믹 디커플링, 트랜스파일 최적화, 측정 오류 완화 등이 포함되어, 양자 프로세서가 계산을 마칠 때까지 일관성을 유지할 수 있도록 했다.
리다 교수는 이번 실증이 특수한 문제를 넘어 즉각적인 실용성을 지니지는 않지만, 양자 컴퓨팅의 이론적 가능성을 확실히 입증했다고 강조했다. "이번에 우리가 입증한 지수적 속도 향상은, 처음으로 무조건적이기 때문에 그 성능 격차는 되돌릴 수 없습니다."라고 그는 말했다.
이 성과는 IBM이 최근 2029년까지 대규모, 오류 허용 양자 컴퓨터 구축 계획을 발표하는 등 양자 컴퓨팅 로드맵을 가속화하는 가운데 나왔다. IBM은 실용적 양자 컴퓨팅에 필요한 자원을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 오류 정정 방식인 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 코드를 개발했다.
AI 및 계산 분야에 있어 이번 돌파구는 양자 컴퓨팅이 이론적 가능성에서 실질적 현실로 전환되고 있음을 시사한다. 양자 시스템이 더욱 확장되고 오류율이 낮아질수록, 복잡한 AI 모델, 최적화 문제, 기존 컴퓨터로는 풀 수 없는 시뮬레이션 등에서 지수적으로 빠른 처리 속도를 약속한다.