슈퍼컴퓨터 1만3천배…구글 '윌로우', 세계 최초 검증 가능한 양자우위 달성

네이처, 구글 퀀텀 AI의 '양자 에르고디시티 경계' 실험 논문 게재

구글이 105큐비트 양자 프로세서 '윌로우(Willow)'를 이용해 슈퍼컴퓨터로 3.2년이 걸릴 연산을 단 2시간 만에 완료하며 약 1만3천배의 계산 속도 차를 입증했다.

구글은 이번 성과가 세계 최초의 '검증 가능한 양자 우위' 사례라며 양자컴퓨터 상용화를 향한 가시적인 진전이라고 밝혔다.

22일 국제학술지 네이처(Nature)는 구글 퀀텀 AI 연구진이 발표한 논문 '양자 에르고디시티 경계에서의 건설적 간섭 관찰(Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity)'을 게재했다.

구글에서 공개한 퀀텀 에코스 알고리즘 구현 방식(이미지=구글)

이번 연구에서 구글 퀀텀 AI는 '시간 비순서 상관함수(OTOC)'라는 복잡한 양자 상관관계를 측정하는 실험을 수행했다. 

OTOC는 양자 입자들이 시간에 따라 얼마나 얽히고 퍼지는지를 보여주는 지표로 양자 혼돈의 정도를 평가해 양자컴퓨터의 성능 한계와 안정성을 측정하는 핵심 도구로 활용된다.

이를 측정하기 위해 연구진은 '퀀텀 에코스(Quantum Echoes)'라는 새로운 알고리즘을 적용했다. 이 알고리즘은 정방향 진화, 교란, 역방향 연산, 측정의 4단계 과정을 거쳐 양자 정보가 사라지기 전 다시 되살아나는 순간을 포착하도록 설계된 것이 특징이다.

특히 OTOC 계산은 큐비트 수가 많아질수록 계산량이 기하급수적으로 증가해 기존 슈퍼컴퓨터로는 시뮬레이션 자체가 거의 불가능하다.

연구팀은 이를 양자 프로세서로 직접 실험해 결과를 얻었으며 동일 계산을 슈퍼컴퓨터 '프론티어(Frontier)'에서 처리할 경우 약 3.2년이 걸릴 것으로 추정했다. 구글의 105큐비트 양자 프로세서 윌로우는 단 2.1시간 만에 같은 계산을 수행하며 약 1만3천배의 속도 차를 보였다.

구글 퀀텀 AI 창립자 겸 총괄 책임자인 하트무트 네벤(Hartmut Neven)은 "양자컴퓨터가 실제로 검증 가능한 알고리즘을 슈퍼컴퓨터보다 빠르게 수행한 것은 역사상 처음"이라고 밝혔다.

프론티어는 미국 오크리지국립연구소(ORNL)에 설치된 슈퍼컴퓨터로 초당 1.353엑사플롭스(EFLOPS)의 연산 성능을 기록하며 현재 세계 2위를 차지하고 있다.

현재 1위인 엘 캐피탄(El Capitan)의 성능은 1.742엑사플롭스로 프론티어보다 약 29% 더 빠르다. 구글의 양자 프로세서와 비교하면 두 슈퍼컴퓨터 모두 상당한 성능 격차를 보이는 셈이다.

구글이 비교 대상으로 엘 캐피탄이 아닌 프론티어를 선택한 이유는 논문 작성 시점인 2024년 말에서 2025년 초 당시 엘 캐피탄이 아직 정식 가동 전 단계였기 때문이다.

구글퀀텀AI의 105큐빗 양자프로세서 '윌로우'(이미지=구글)

이번에 구글이 관측한 '양자 에르고디시티 경계'는 양자계에서 일어난 특정한 사건이 완전히 사라지기 직전 단계를 뜻한다. 일반적으로 양자 입자들은 서로 얽혀 상호작용하면서 시간이 지날수록 그 정보가 점점 퍼져나가 초기 상태를 복원하기 어렵게 된다. 이처럼 정보가 완전히 무작위로 확산된 상태를 '에르고딕(ergodic)' 상태라고 부른다.

구글은 이러한 혼돈이 완전히 퍼지기 전 양자 입자들 사이에서 특정한 간섭 현상이 생기며 일부 정보가 되살아나는 순간을 포착했다고 밝혔다. 이 현상은 이론적으로는 예측돼 있었지만 실제 실험을 통해 확인된 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 이번 연구가 단순히 새로운 현상을 발견한 데 그치지 않고 양자의 얽힘이 완전히 붕괴해 정보가 사라지기 전 단계에서 이를 측정할 수 있는 최적의 조건과 시점을 규명한 것이라고 강조했다.

이는 양자 정보가 사라지는 과정을 제어하거나 늦출 수 있는 단서를 제시하는 것이다. 이를 통해 향후 큐비트의 안정성을 높이고 계산 효율을 개선하는 데 활용될 수 있다는 설명이다.

또한 구글은 미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UC Berkeley)와 협력해 퀀텀 에코스 알고리즘을 실제 과학 연구에 적용하는 실험을 진행했다. 연구진은 15개 원자로 구성된 분자와 28개 원자로 이루어진 분자의 구조를 계산했으며 그 결과는 기존 핵자기 공명(NMR) 분석과 정확히 일치하는 것으로 나타났다. 

특히 이번 실험에서는 기존 NMR로는 포착하기 어려운 세부 분자 구조 정보까지 도출돼 양자컴퓨터가 과학 연구의 정밀 측정 도구로 활용될 수 있음을 보여줬다.

구글은 이를 통해 윌로우 양자칩이 단순한 계산 속도 시연을 넘어 실제 과학적 데이터 분석 도구로 검증됐다고 설명했다. 이는 향후 양자컴퓨터가 신약 개발, 신소재 설계, 화학 반응 예측 등 현실 연구에 직접 적용될 가능성을 입증한 결과로 평가된다.

하트무트 네벤 총괄은 "이번 실험은 세계 최초의 검증 가능한 양자 우위 사례"라며 "이를 통해 양자컴퓨터가 단순한 속도 경쟁을 넘어 분자·자성체·블랙홀 등 복잡한 물리 시스템의 구조를 학습하고 예측할 수 있는 단계로 진입했음을 보여준다"고 말했다.

이어 "망원경이나 현미경이 인간의 시야를 넓혔듯 양자컴퓨터는 이제 자연 현상의 미시적 구조를 관찰하고 분석하는 새로운 과학 도구로 발전할 것"이라며 "이번 연구를 계기로 구글은 의약, 신소재, 에너지 등 실제 산업 분야에서 양자기술의 응용 가능성을 넓혀갈 것"이라고 덧붙였다.