IBM은 시카고 대학교, Algorithmiq, Qedma 등 세 곳의 연구 파트너와 함께 양자 컴퓨팅의 이점을 주장하는 데 공통적으로 걸림돌이 되는 문제, 즉 고전 시스템이 직접 재현할 수 없는 결과에 대한 신뢰성을 확보하는 데 초점을 맞춘 별도의 양자 컴퓨팅 연구 결과를 발표했습니다.
이 연구는 인코딩된 논리 회로, 양자 물질 시뮬레이션, 오류 완화 다체 물리학을 아우릅니다. 각 분야에서 IBM Quantum Heron 프로세서를 사용하여 워크로드를 실행한 결과, 참여 팀은 기존의 고전적인 시뮬레이션 방식보다 실질적인 성능을 뛰어넘는 결과를 얻었다고 보고했습니다. 이러한 연구 및 관련 결과는 지속적인 벤치마킹을 위해 IBM의 Quantum Advantage Tracker를 통해 공개되었습니다.
시카고 대학교 연구팀은 회로 복잡성이 증가함에 따라 검증이 어려워지는 양자 우위 벤치마크인 무작위 회로 샘플링에 대한 구조화된 대안을 제시했습니다. IBM이 '도핑된 클리포드 샘플링'이라고 부르는 이 기술은 시공간 코드에 클리포드 회로를 내장한 다음 전략적으로 비클리포드 T 게이트를 추가하여 계산을 고전적으로 어렵게 만들면서도 실행 중 오류를 감지하는 데 필요한 신드롬 검사를 유지합니다. 이 논문의 제목은 "검증 가능한 높은 충실도로 어려운 회로 샘플링"입니다.
이 실험에서는 70개의 논리 큐비트를 사용하여 2,415개의 논리 2큐비트 연산과 468개의 논리 T 게이트 연산을 수행했는데, 이 두 가지 모두 회로 복잡성을 나타내는 척도입니다. IBM과 해당 대학은 실효 논리 오류율이 실제 물리적 오류율보다 약 10배 낮았다고 보고했으며, 이것이 바로 이러한 게이트 수에서도 높은 회로 충실도를 유지할 수 있었던 이유입니다. 양자 컴퓨팅은 약 15분 만에 완료되었는데, 연구진은 기존의 고전 시뮬레이션 방식으로는 실행 시간이 너무 오래 걸렸다고 밝혔습니다. IBM은 이 실험을 세계 최대 규모의 오류 수정 시연 중 하나로 설명하며, 이 결과는 고전적 연산으로는 불가능한 작업 부하와 실행 충실도의 통계적 하한선을 결합했다는 점에서 중요합니다.
"우리는 이제 양자 우위 시대에 확실히 진입했습니다."라고 IBM 연구소 소장이자 IBM 펠로우인 제이 감베타는 말했습니다. "우리는 기존 컴퓨터로는 실질적으로 불가능한 양자 컴퓨팅을 시연했으며, 통계적 신뢰도를 바탕으로 연산 정확도의 하한선을 확립했습니다. 이 중요한 성과는 과학자, 개발자, 그리고 기업들에게 기존 방식으로는 해결할 수 없는 문제들을 양자 컴퓨터로 해결할 수 있도록 새로운 기반을 마련해 줍니다."
알고리즘믹(Algorithmiq) 연구팀은 IBM 퀀텀 헤론(Quantum Heron) 프로세서를 사용하여 이종 양자 물질을 시뮬레이션했습니다. 이 모델은 불규칙적인 국소적 특성, 인터페이스, 그리고 조절 가능한 미시적 결합을 가진 시스템을 나타내도록 설계되었습니다. 이러한 효과는 촉매나 배터리 전해질과 같은 물질에 중요한데, 국소적인 무질서가 에너지, 입자, 정보의 흐름을 변화시키기 때문입니다. 연구팀은 이러한 시스템을 통해 정보가 어떻게 확산되는지를 추적하는 양인 연산자 로슈미트 에코(Operator Loschmidt echo)를 추정하는 양자 알고리즘을 개발하고, 이를 56개의 큐비트에 적용했습니다.
해당 워크로드는 8개월 전 퀀텀 어드밴티지 트래커(Quantum Advantage Tracker)를 통해 처음 공개되었으며, IBM과 알고리즘믹(Algorithmiq)은 그 이후로 어떤 고전적 방법도 전체 문제 영역에 걸쳐 신뢰할 수 있는 결과를 재현하지 못했다고 밝혔습니다. 최소 세 곳의 주요 고전 시뮬레이션 그룹에서 개발한 방법들은 서로 상충되는 예측 결과를 내놓았고, 양자 결과와도 일치하지 않았습니다. 연구팀은 정확한 해답을 얻지 못하는 상황에서 벗어나기 위해 제어된 노이즈 주입, 수정된 게이트 보정, 디바이스 노이즈 모델링을 적용하고, IBM이 "효과적으로 서로 다른 노이즈 프로파일을 가진 5대의 양자 컴퓨터"라고 설명하는 환경에서 실행하여 노이즈 조건 변화에 따라 양자 결과가 안정적으로 유지되는지 테스트했습니다.
Algorithmiq은 또한 자사의 고전적인 분자 바닥 상태 시뮬레이션 방법을 기반으로 하는 벤치마크 패키지인 monoprop을 출시했습니다. 이 소프트웨어는 외부 연구자들이 향후 양자 우위 주장을 기존의 고전적 기술과 비교하여 검증할 수 있도록 설계되었습니다.
알고리즘믹의 공동 창립자 겸 CTO인 마테오 로시는 “IBM과의 이번 협력을 통해 1982년 리처드 파인만이 처음 제안했던 아이디어를 실현했습니다.”라고 말했습니다. “동일한 물리 법칙을 기반으로 구축된 디지털 양자 프로세서를 사용하여 양자 물질을 시뮬레이션함으로써, 연구자들이 고전적 방법으로 반증해 보고자 하는 모든 사람에게 개방된, 조정 가능하고 물리적으로 흥미로운 모델을 제공할 수 있게 되었습니다. 이는 매우 까다로운 테스트 사례이며, 8개월이 넘는 기간 동안 공개적인 검증을 거쳐 현재까지도 그 타당성을 입증하고 있습니다.”
Qedma, IBM, RIKEN, 그리고 BlueQubit은 IBM Quantum Heron 하드웨어에서 Qedma의 양자 오류 억제 및 완화(QESEM) 소프트웨어를 사용하여 2차원 플로케-이징 시스템에서 장시간 지속되는 양자 역학을 모델링한 세 번째 연구 결과를 발표했습니다. 이 시스템은 물리학자들이 주기적인 외부 자극 하에서 물질의 자기적 특성이 어떻게 변화하는지 연구하는 데 사용됩니다. Qedma는 상용 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 양자 우위를 달성한 최초의 사례라고 주장하며, Heron 시스템과 QESEM 모두 클라우드에서 사용할 수 있다고 밝혔습니다. 이들 기업은 초고속 광전자공학 및 광유도 초전도체 분야에 응용 가능성을 제시했습니다.
IBM Quantum 133 큐비트 HERON
연구팀은 최대 74개의 큐비트를 사용한 시뮬레이션 결과를 발표했습니다. 이 시뮬레이션 결과를 리켄의 후가쿠 슈퍼컴퓨터와 블루큐비트의 시뮬레이션을 포함한 여러 고전적 방법과 비교했습니다. 가장 큰 규모에서는 고전적 접근 방식들이 일관되게 일치하지 않았으며, 오류를 완화한 양자 시뮬레이션 결과는 지속적인 진동 양상을 보였습니다.
Qedma의 검증 과정에서는 먼저 편향되지 않은 오류 완화 방법을 기존 계산 방식과 비교했는데, 후자가 여전히 신뢰할 수 있는 것으로 나타났습니다. 연구진은 검증된 결과를 바탕으로 확장성이 뛰어난 오류 완화 방법을 벤치마킹한 후, 더 큰 시스템과 더 긴 실행 시간으로 작업 부하를 확장했습니다. 또한, 시뮬레이션된 물리 현상과 장치별 특성을 구분하기 위해 Quantinuum 트랩 이온 시스템을 포함한 다양한 양자 하드웨어에서의 동작도 평가했습니다.
종합적으로 볼 때, 이 세 연구는 양자 우위 논의를 단순히 실행 시간 비교를 넘어선 차원으로 끌어올립니다. 이 연구들은 재현성, 오류 특성 분석, 플랫폼 간 검증, 그리고 공개 벤치마킹에 초점을 맞추고 있으며, 이러한 모든 요소는 양자 시스템이 고전 시뮬레이션의 한계를 뛰어넘는 과학 컴퓨팅 작업 부하를 처리할 수 있는 신뢰할 만한 도구로 인정받기 위해 필수적입니다.
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