- 양자 에코는 고감도 간섭 에코를 사용하여 복잡한 시스템에서 양자 정보가 어떻게 전파되는지 측정하는 시간 초과 순서 상관기입니다.
- 윌로우 칩에서 실행되는 이 알고리즘은 검증 가능한 양자적 이점을 제공하며, 동일한 작업을 수행하는 최고의 고전적 슈퍼컴퓨터보다 최대 13.000배 더 빠릅니다.
- 실제 분자와 NMR 데이터를 이용한 실험을 통해 화학, 신약 개발, 재료 과학 분야에서의 잠재력이 검증되었지만, 아직은 초기 단계에 있습니다.
- 대규모 양자 응용 프로그램을 구현하기 위해서는 오류 수정 및 장수 논리 큐비트로의 확장성과 같은 중요한 과제가 남아 있습니다.
La 양자 컴퓨팅은 더 이상 단순한 이론이 아니다 의학, 첨단 소재, 사이버 보안에 대한 대화에 스스로 개입하기 시작했습니다. Google은 수년간 그들의 양자 컴퓨터 이것들은 단순히 눈길을 끄는 프로토타입이 아니라, 실제 적용이 가능한 도구입니다. 퀀텀 에코 알고리즘과 윌로우 칩을 통해 이 회사는 기술 경쟁의 속도를 바꿀 수 있는 이정표 중 하나를 달성했다고 주장합니다.
이 새로운 알고리즘은 순서가 잘못된 상관기 복잡한 시스템에서 양자 정보가 어떻게 전파되는지 연구하기 위해 설계된 이 알고리즘은 단순히 엄청나게 빠른 것이 아닙니다. 발표된 데이터에 따르면, 동급 최고의 기존 슈퍼컴퓨터보다 약 13.000배 더 빠르게 작동합니다. 하지만 가장 흥미로운 점은 검증 가능한 알고리즘이라는 점입니다. 즉, 다른 유사한 양자 장치에서도 결과를 반복하고 검증할 수 있다는 뜻입니다. 이는 이 기술이 실험실 수준을 넘어서는 발전을 이루기 위한 핵심 요소입니다.
퀀텀 에코란 정확히 무엇이고 왜 많은 사람들이 이에 대해 이야기하는 걸까요?
Quantum Echoes는 OTOC 유형 양자 알고리즘 (초시간순서 상관기). 이 상관기의 주요 기능은 양자 시스템에 일련의 연산을 가하고 그 진화를 "되감은" 후 큐비트의 상태가 어떻게 변하는지 측정하는 것입니다. 실제로 이 상관기는 양자 혼돈의 온도계 역할을 합니다. 즉, 자화, 밀도, 전류, 속도와 같은 양을 측정하여 큐비트 집합 내에서 정보가 어떻게 분산되는지 분석합니다.
Google이 제안하는 것은 이 알고리즘을 일종의 신중하게 설계된 양자 에코먼저, 윌로우 칩은 시스템 진화를 유발하는 복잡한 양자 신호를 수신합니다. 그런 다음 특정 큐비트에 작은 섭동을 가하고, 이후 역순으로 연산을 실행하여 이 과정을 되돌리려 시도합니다. 이 전체 과정이 끝나면 시스템은 초기 상태의 양자 "에코"를 반환하는데, 이 에코는 보강 간섭을 통해 증폭되어 진행 과정에 대한 매우 정확한 정보를 드러냅니다.
이론적 관점에서 이러한 유형의 비순차 상관자는 다음을 연구하는 데 사용됩니다. 매우 복잡한 시스템에서 정보가 어떻게 혼합되고 확산되는지블랙홀이나 특이한 양자 물질을 설명하는 모델과 같은 것들이 있습니다. 여기서 새로운 점은 이러한 모델들이 이론에서 실험실로 옮겨져 반복 및 검증이 가능한 실험을 통해 구현되었다는 점입니다. 또한, 매우 구체적인 물리적 응용 분야를 제시합니다.
Google은 이러한 결과를 두 개의 보완 논문에서 제시했습니다. 하나는 다음에 게재되었습니다. 자연한 논문은 알고리즘과 그 검증 가능한 양자적 이점을 보여주는 데 중점을 두고 있으며, arXiv 저장소에 게시된 다른 논문은 화학 및 분광학 분야의 잠재적 응용 분야에 더욱 중점을 두고 있습니다. Nature 논문에 서명한 사람 중에는 2025년 노벨 물리학상 수상자이자 초전도 큐비트 개발의 핵심 인물인 미셸 드보레가 있습니다.
회사 엔지니어에 따르면, Quantum Echoes는 13.000배 더 빠르게 작동합니다. 윌로우 칩에서 가장 좋은 동등한 고전적 알고리즘 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터에서 실행되었습니다. 실질적으로 기존 기계가 수천 년 또는 수조 년이 걸릴 문제를 윌로우는 몇 분 만에 해결하며, 본격적인 양자 우위로 여겨지는 한계를 넘어섰습니다.
알고리즘을 이해하기 위한 양자 컴퓨팅의 기본
Quantum Echoes가 어떻게 작동하는지 명확하게 이해하려면 다음 사항을 기억하는 것이 좋습니다. 양자 컴퓨터는 기존 비트로는 작동하지 않습니다.하지만 큐비트의 경우는 다릅니다. 비트는 0 또는 1만 될 수 있는 반면, 큐비트는 두 상태가 동시에 중첩될 수 있습니다. 이를 통해 큐비트 집합은 수많은 0과 1의 조합을 동시에 표현할 수 있습니다.
큐비트는 다음과 같은 물리적 시스템을 조작하여 구현됩니다. 광자, 전자, 포획된 이온, 원자 또는 초전도 회로구글은 다른 기업들과 마찬가지로 초전도 큐비트에 투자하고 있는데, 이는 1980년대 데보레와 다른 연구자들이 시작한 거시적 양자 회로 실험의 직계 후손입니다. 이러한 큐비트들은 얽힘(entangled)될 수 있습니다. 즉, 공통된 양자 상태를 공유하고, 확률이 파동처럼 결합되는 집단 구조를 형성할 수 있습니다.
이 맥락에서 양자 알고리즘은 단지 논리 게이트의 시퀀스 에 적용되는 겹쳐지고 얽힌 큐비트 네트워크회로가 진화함에 따라 확률 진폭은 간섭을 통해 서로 강화되거나 상쇄됩니다. 핵심은 최종적으로 올바른 해가 증폭되어 시스템 측정 시 가장 확률이 높은 해가 되도록 알고리즘을 설계하는 것입니다.
양자 에코의 핵심 중 하나인 생성 간섭은 다음과 같은 경우에 발생합니다. 양자파는 위상에 맞춰 정렬됩니다 그리고 이 두 가지는 서로 상쇄되는 대신 합산됩니다. 회로가 잘 설계되었다면, 이 효과 덕분에 알고리즘의 최종 "에코"가 배경 잡음과 뚜렷이 구분되어, 중간 과정이 매우 혼란스러웠더라도 시스템에서 정보가 어떻게 전파되었는지 매우 민감하게 판독할 수 있습니다.
이 모든 것이 매우 강력하게 들리지만 심각한 문제도 있습니다. 노이즈에 직면한 양자 시스템의 취약성온도, 진동, 전자기파 또는 외부 간섭의 미세한 변화만으로도 큐비트에 오류가 발생하고, 시스템의 결맞음(coherence)이 깨지며, 계산이 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다. 따라서 양자 오류 제어와 결맞음 감소는 업계의 주요 과제 중 두 가지입니다.
Willow 칩에서 Quantum Echoes가 단계별로 작동하는 방식
버드나무는 마지막이다 구글의 초전도 양자 칩그리고 바로 이 하드웨어가 퀀텀 에코스를 구동합니다. 이 프로세서는 무작위 회로 샘플링 벤치마크 테스트를 5분 이내에 완료하여 이미 주목을 받았습니다. 기존 슈퍼컴퓨터로는 수조 년이 걸려도 해낼 수 없는 작업입니다. 윌로우는 퀀텀 에코스를 통해 다시 한번 주목을 받고 있습니다.
알고리즘의 기본 계획은 양자 "시간 되감기" 경험으로 이해될 수 있지만 아무것도 과거로 보내지지 않습니다이 과정은 시스템에 일련의 연산을 적용하고, 특정 큐비트에 작은 섭동을 도입한 후, 동일한 연산을 매우 정밀하게 역순으로 실행하는 과정을 포함합니다. 모든 것이 제대로 조정되면 시스템은 원래 상태에 가까워지고 풍부한 정보를 담은 간섭계 에코를 방출합니다.
매우 단순화된 방식으로 절차는 세 가지 주요 단계를 따릅니다. 첫째, 큐비트 집합의 잘 제어된 초기 상태그런 다음, 그 상태는 매우 복잡하고 혼란스러운 일련의 양자 게이트를 통해 진화할 수 있습니다. 마지막으로, 회로의 시간 반전이 실행되고, 큐비트가 프로세스 중간에 변경되고, 그러한 교란이 최종 에코에 어떻게 영향을 미치는지 관찰됩니다.
이 설정의 장점은 끝에서 측정된 에코가 약한 반사가 아니라 증폭된 신호라는 것입니다. 보강 간섭바로 이러한 이유로 이 기술은 시스템 내부 역학의 작은 변화에도 극도로 민감합니다. 구글은 이러한 민감도를 활용하여 칩의 유효 오류율을 기하급수적으로 감소시켜 대규모 오류 수정이 가능한 임계값 이하의 결과를 달성했습니다.
설명된 실험 중 일부에서 양자 기계는 단 2시간 만에 문제를 해결할 수 있었지만 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Frontier 슈퍼컴퓨터는 약 3,2년간의 지속적인 컴퓨팅 동등한 고전 코드를 실행하는 것입니다. 이러한 엄청난 성능 격차와 Willow 또는 유사한 품질의 다른 장치에서 결과를 재현할 수 있다는 사실이 결합되어 소위 "검증 가능한 양자 이점"의 기반이 됩니다.
또한, Google에서 사용하는 프로토콜은 응용 프로그램 없이는 양자 우월성에 대한 단순한 연습으로 남지 않습니다.이전 실험에서는 현실 세계에 적용하기 어려운 인공적인 수학적 문제에 초점을 맞췄지만, 이번 실험에서는 알고리즘을 사용하여 매우 구체적인 물리적 과정을 시뮬레이션했습니다. 핵자기 공명을 통해 실제 분자의 구조와 역학도 연구했습니다.
검증 가능한 양자적 이점: 이 획기적인 발견이 다른 이유
지금까지 "양자 우월성"에 대한 많은 발표는 다음과 같은 이유로 비판을 받아왔습니다. 결과를 독립적으로 검증하는 방법은 불분명했습니다. 해결된 문제가 실제로 어떤 용도로 쓰였는지도 알 수 없습니다. 예를 들어, 구글의 2019년 이정표는 어떤 슈퍼컴퓨터도 합리적인 시간 안에 재현할 수 없는 무작위 회로 샘플링을 이용한 계산을 수행한 것이었지만, 실험실 밖에서는 전혀 쓸모가 없었습니다.
Quantum Echoes를 통해 회사는 처음부터 설계된 실험을 통해 해당 논쟁을 해결하려고 시도합니다. 검증 가능하고 원하는 사람에게 그 속임수를 반복합니다.이 알고리즘은 유사한 양자 하드웨어를 갖춘 다른 연구 그룹에서도 재현이 가능한 매개변수와 구성을 사용하여 구현되었습니다. 또한, 양자 시뮬레이션 결과는 잘 확립된 기술을 사용하여 얻은 고전적인 물리적 측정 결과와 비교됩니다.
Google이 주장하는 "양자 검증 가능성"은 두 가지 기둥에 기초합니다. 첫째, 계산이 다른 유사한 양자 기계에서 재현될 수 있다는 사실입니다. 둘째, 가능성입니다. 알고리즘의 출력을 실험 데이터와 비교합니다. 핵자기공명영상(NMR)이나 고전적 시뮬레이션이 여전히 가능한 경우를 예로 들 수 있습니다. 이러한 이중 검증은 우리가 단순히 검증하기 어려운 수학적 문제를 다루고 있는 것이 아니라는 주장에 힘을 실어줍니다.
이러한 유형의 시연이 가능하려면 하드웨어가 결합되어야 합니다. 매우 낮은 오류율로 고속 작업 가능시간 역전 시퀀스에 어떤 편차라도 생기면 최종 에코가 망가집니다. 윌로우가 붕괴되지 않고 이 난관을 극복할 수 있었다는 사실은 초전도 큐비트에 대한 제어가 불과 몇 년 전보다 훨씬 더 성숙한, 놀라운 수준에 도달했음을 시사합니다.
그럼에도 불구하고, 몇몇 전문가들은 신중을 기해야 한다고 강조하고 있습니다. 마드리드 자치대학교 이론물리학과의 카를로스 사빈과 같은 연구자들은 다음과 같이 지적합니다. 다른 양자적 이점도 이미 발표되었으며, 이후 검증이 이루어졌습니다. 다른 그룹들이 기존 알고리즘을 개선하거나 기존 컴퓨터를 사용하여 결과를 근사화하는 방법을 발견한 반면, 과학계에서는 현재 구글의 실험이 어느 정도 확실한 경계를 표시하는지 검증하는 과정에 있습니다.
화학에서의 응용: 분자, NMR 및 "양자경"의 꿈
Quantum Echoes의 가장 눈에 띄는 측면 중 하나는 도구로 사용된다는 것입니다. 화학 시뮬레이션 및 양자 분광법구글은 캘리포니아 대학교 버클리와 협력하여 윌로우에서 알고리즘을 실행하여 두 가지 분자를 연구했습니다. 하나는 원자 15개, 다른 하나는 원자 28개로 구성되어 있으며, 실험적 핵자기 공명(NMR) 데이터를 비교 기준으로 사용했습니다.
의료용 자기공명영상의 분광학적 사촌인 MRI는 다음과 같은 역할을 합니다. 자기 "스핀" 기반 분자 현미경 원자핵의 스핀. 이러한 스핀이 자기장과 무선 주파수 신호에 어떻게 반응하는지 감지함으로써 과학자들은 원자의 상대적 위치와 결과적으로 분자의 구조를 추론할 수 있습니다. 이는 화학, 생물학, 그리고 재료 과학의 기본적인 도구입니다.
문제는 분자가 커지거나 스핀 간 상호 작용이 더 복잡해지면 NMR 데이터를 해석하는 고전적인 방법은 엄청나게 비용이 많이 듭니다. 계산적인 관점에서 볼 때, 바로 이 부분에서 Quantum Echoes가 빛을 발합니다. 혼돈 시스템의 내부 양자 역학을 추적하는 능력을 통해 장거리에 걸쳐 스핀 간의 상호작용을 더욱 효율적으로 모델링할 수 있습니다.
버클리와 함께 수행한 개념 증명에서 양자 알고리즘을 사용하여 얻은 결과는 다음과 같습니다. 이는 전통적인 MRI 측정과 일치했습니다. 두 분자 모두에 대해, 이는 이 접근법에 대한 최초의 강력한 검증을 의미했습니다. 뿐만 아니라, 양자 분석을 통해 기존 기법으로는 일반적으로 얻을 수 없는 스핀 동역학에 대한 더욱 자세한 정보가 밝혀졌으며, 이는 더 높은 감도를 시사합니다.
Google Quantum AI의 협력자이자 Berkeley의 교수인 Ashok Ajoy와 같은 연구자들은 이미 미래에 대해 이야기하고 있습니다. 현재 한계를 뛰어넘을 수 있는 "양자 분광법"이 시나리오에서 실험적 NMR과 양자 에코와 같은 양자 알고리즘을 결합하면 새로운 약물을 발견하고, 알츠하이머병과 같은 복잡한 질병을 더 잘 이해하고, 배터리, 폴리머 또는 초전도 큐비트 자체를 위한 고급 소재를 설계하는 데 최고의 도구가 될 수 있습니다.
의학, 재료 과학 및 기타 산업에 대한 잠재적 영향
Google의 약속이 실현된다면 Quantum Echoes는 이를 향한 첫 번째 중요한 단계가 될 수 있습니다. 실제 세계에 적용 가능한 양자 컴퓨터다체 양자 시스템을 정확하게 모델링하는 능력은 계산 화학과 같은 분야에 직접적인 영향을 미치는데, 이러한 분야에서는 복잡한 전자적 상호 작용을 시뮬레이션하는 것이 기존 컴퓨팅으로는 거의 불가능한 문제이기 때문입니다.
생물의학 분야에서 이는 다음과 같은 가능성으로 해석됩니다. 약물 후보 분자의 공간을 훨씬 더 효율적으로 탐색하기 위해수천 개의 화합물을 맹목적으로 테스트하는 대신, 양자 컴퓨터는 어떤 구조가 특정 생물학적 표적에 가장 적합한지 예측하는 데 도움이 될 수 있으며, 이를 통해 신경 퇴행성 질환, 암 또는 기타 복잡한 질병에 대한 치료법 개발을 가속화할 수 있습니다.
재료 과학에서도 동일한 논리가 적용됩니다. 특정 속성을 가진 새로운 화합물을 설계하다더욱 안정적인 초전도체, 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 소재, 첨단 폴리머, 또는 더 가볍고 강한 합금 등이 있습니다. 미시적 수준에서 양자 역학을 제어하는 것은 무작위 조합을 시험하는 것과 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 통해 결과를 미세하게 조정하는 것의 차이를 만듭니다.
이 모든 것에 더해 사이버 보안과 같은 분야에 미칠 수 있는 잠재적 영향도 있습니다. Quantum Echoes 자체는 암호화를 해독하는 것을 목표로 하지 않지만, 양자 기계를 유용성에 한 걸음 더 가깝게 만들어주는 동일한 진보의 물결보안 커뮤니티에서는 이미 "지금 수집하고 나중에 해독"하는 전략에 대해 논의하고 있습니다. 즉, 현재의 암호화 알고리즘을 해독할 수 있는 양자 컴퓨터가 존재하면 오늘 데이터를 훔쳐 해독하는 것입니다. 이로 인해 유럽 연합과 ENISA와 같은 조직은 양자 이후 시스템으로의 전환을 계획하게 되었습니다.
지정학적 측면에서 Google의 움직임은 다음과 같습니다. IBM, Microsoft 등 거대 기업과 중국 기업과의 치열한 경쟁중국의 오공(Wukong)과 같은 플랫폼이나 IBM의 초전도 큐비트 및 장수명 논리 큐비트 개발은 누구도 뒤처지고 싶어 하지 않음을 보여줍니다. 구글이 주장하는 검증 가능한 양자 우위는 과학적 진보일 뿐만 아니라, 이 경쟁에서 구글이 차지하는 위치를 보여주는 전략적 메시지이기도 합니다.
과학계 내의 현재 한계와 회의론
모든 것이 화려한 것은 아닙니다. 양자 에코 실험은 이전의 이정표에서 한 단계 더 도약한 것이지만, 여러 전문가들은 다음과 같이 강조합니다. 우리는 아직 실험 단계에 있습니다.지금까지는 비교적 작은 분자와 양자 회로를 이용해 시연이 진행되었는데, 인상적이기는 하지만 대규모 산업 문제를 해결하는 데 필요한 수준에는 아직 한참 못 미칩니다.
Google 자체에서 수집한 추정에 따르면, 다음과 같은 순서로 필요한 분자에 도달하려면 관련 복잡성을 지닌 50개의 물리적 큐비트이를 위해서는 수십만 개에서 수백만 개의 양자 논리 게이트를 구동해야 합니다. 이 숫자는 현재 실험에 사용되는 792개의 게이트보다 훨씬 많으며, 이러한 환경에서 작동하는 오류 완화 기술은 훨씬 더 깊은 회로에는 적합하지 않을 수 있습니다.
반복되는 비판 중 하나는 이 시연이 실제 양자적 이점을 보여주지만, 아직 큰 영향을 미치는 실질적 활용은 입증되지 않았습니다.다시 말해, 이 알고리즘은 개선된 고전적 기법으로 처리할 수 있는 방법을 검증하고 시스템을 연구하는 데 사용되었지만, 특정 산업이나 의료 환경에서 고전적 컴퓨팅으로는 전혀 달성할 수 없었던 문제는 아직 해결하지 못했습니다.
더욱이 오류 정정 문제는 여전히 난제로 남아 있습니다. 대규모 양자 컴퓨터를 운영하려면 많은 물리적 큐비트로 구성된 강력한 논리적 큐비트개별 오류를 정보 손실 없이 감지하고 수정할 수 있도록 하기 위함입니다. 구글은 이 목표를 양자 로드맵의 세 번째 이정표로 설정했습니다. 즉, 복잡한 알고리즘을 충돌 없이 실행할 수 있는 장수명 논리 큐비트를 달성하는 것입니다.
이러한 우려에도 불구하고 가장 신중한 목소리조차도 다음과 같은 사실을 인정합니다. 양자 에코는 중요한 예비 단계가 될 수 있습니다. 실질적인 유용성을 입증하는 방향으로 나아가고 있습니다. 핵심은 다른 연구실에서 실험을 재현하고, 경쟁하는 기존 알고리즘을 개선하고, 무엇보다도 이러한 기술을 더 많은 큐비트와 게이트를 갖춘 시스템으로 확장하여 오류가 급증하지 않도록 하는 것입니다.
큰 그림을 보면 Quantum Echoes는 다음과 같은 모습을 보이고 있습니다. 양자 하드웨어와 소프트웨어가 병행해서 발전하고 있다는 확실한 신호윌로우는 정교한 시간 역전 프로토콜을 구현할 수 있을 만큼 낮은 오류율로 작동하는 것이 가능함을 보여주며, 이 알고리즘은 현실 세계의 물리적 문제를 직접 해결하는 응용 분야의 문을 열어줍니다. 아직 갈 길이 멀지만, 응용 양자 컴퓨팅의 첫 번째 물결이 크게 들리기 시작했습니다.
