아이온큐 "특수 하드웨어 없이 실시간 디코딩 가능"…범용 CPU 한 개로 논리 큐비트 408개 실...

미국 양자컴퓨터 기업 아이온큐(IonQ)가 양자 오류 정정에 필요한 고전 연산을 시중에서 파는 CPU 한 개로 실시간 처리할 수 있다는 연구 결과를 22일(현지시간) 공개했다. 회사는 오류 정보 수집부터 논리 연산 판정까지 전체 과정을 CPU 하나에서 처리한 첫 실시간 디코더라고 설명했다.

양자컴퓨터가 오류를 고치려면 여러 개의 물리 큐비트를 묶어 하나의 논리 큐비트를 만들고, 계산 중에 주기적으로 오류 신호(신드롬)를 측정해야 한다. 이 신호를 받아 어떤 오류가 생겼는지 판별하는 일이 디코딩이며, 이 작업은 고전 컴퓨터가 맡는다. 디코딩이 신호가 쌓이는 속도를 따라가지 못하면 양자 연산이 결과를 기다리며 멈추게 된다. 큐비트 수가 늘수록 처리할 데이터도 불어나기 때문에, 디코딩 속도는 대형 양자컴퓨터로 가는 길의 병목으로 꼽혀 왔다. 구글 등 초전도 방식 진영이 FPGA나 전용 칩 같은 특수 하드웨어로 디코더를 만드는 것도 이 때문이다.

아이온큐 연구진은 이온트랩 방식의 속도 특성에 주목했다. 이온트랩 시스템은 오류 신호를 한 번 측정하는 주기가 1~5밀리초로, 마이크로초 단위인 초전도 방식보다 길다. 연산 속도로는 불리한 조건이지만 디코더에는 그만큼 처리 시간이 더 주어진다. 연구진은 이 시간을 활용해 두 개의 디코더를 병렬로 돌리는 구조를 설계했다. 하나는 계속 들어오는 오류 신호를 처리하고, 다른 하나는 다음 연산에 바로 쓰일 논리 측정값을 빠르게 판정한다.

성능 검증은 실제 양자 하드웨어가 아닌 시뮬레이션으로 이뤄졌다. 연구진은 논리 큐비트 최대 408개와 메모리 블록 88개, 매직 스테이트 공장을 포함한 벤치마크 회로를 구성하고, 3150만 건이 넘는 개별 양자 연산을 처리하게 했다. 이 가운데 T 게이트는 100만 개, 논리 측정은 130만 건이었다. 연산 수 기준으로 이른바 ‘메가큐옵(MegaQuOp)’ 규모다.

디코딩 때문에 전체 계산이 늘어난 비율을 뜻하는 ‘스트레치’는 조건에 따라 달랐다. 아이온큐는 보도자료에서 일반적인 잡음 환경에서 최소 0.02%였다고 밝혔다. 아카이브(arXiv)에 공개된 논문(Min Ye·Andrii Maksymov·Nicolas Delfosse 공저)에서는 2큐비트 게이트 오류율이 10⁴일 때 시험한 모든 작업에서 0.3% 미만, 오류율을 5×10⁴로 높였을 때 12% 미만으로 나타났다. 오류율이 높아지면 디코딩 부담이 확연히 커진다는 뜻이다.

니콜라스 델포스 아이온큐 양자연구 책임자는 수백 개의 논리 큐비트와 수백만 건의 논리 연산에서 실시간 디코딩을 검증한 것이 중요한 이정표라고 말했다. 존 갬블 아키텍처 부사장은 고전 하드웨어 부담이 시스템 규모에 따라 기하급수적으로 늘지 않는다는 점을 확인했다고 밝혔다. 회사는 이번 결과를 물리 큐비트 256개를 넘어 수천 개 큐비트를 제어하는 플랫폼으로 가는 로드맵의 기반으로 삼겠다는 입장이다.

<마켓잉크 장경호 기자>

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