양자컴퓨터 과학적 실용화까지 10만 배 성능 향상 필요, QUOPS 벤치마크 연구

QUOPS란 무엇인가

QUOPS(Quantum Universal Operations Performance System)는 기존에 많이 쓰이던 큐비트 수, 게이트 정확도, 게이트 속도 같은 개별 부품 지표와 달리, 시스템 전체를 단위로 삼아 평가한다. 핵심 측정값은 두 가지다. 첫째, Q는 설정된 정확도 문턱값을 넘기면서 실행 가능한 가장 큰 회로 크기로, 회로 폭(사용 큐비트 수)의 두 배에 깊이(연산 층 수)를 곱한 값으로 산출된다. 둘째, 오메가(Ω)는 그 기준점에서의 초당 유효 양자 연산 수를 나타낸다. 두 지표를 함께 보면 대규모 회로를 처리할 수 있는지, 그리고 그것을 얼마나 빠르게 수행하는지를 모두 파악할 수 있다.

연구팀은 다양한 폭·깊이 조합의 무작위 회로를 각 시스템에 투입해 성공 영역을 지도화했으며, 결과는 arXiv 프리프린트 서버에 게재됐다. 아직 동료 심사는 거치지 않은 상태다.

세 플랫폼의 비교 결과

테스트에 참여한 플랫폼은 Google의 초전도 방식 Willow, IBM의 초전도 방식 Boston, Quantinuum의 이온 트랩 방식 Helios다. 초전도 계열인 Willow와 Boston은 게이트 동작이 빠른 반면 큐비트 간 연결이 인접 큐비트 위주로 제한돼, 떨어진 큐비트 간 연산 시 라우팅 부담이 커진다. 반면 Helios는 QCCD(양자 전하결합 소자) 구조를 통해 임의 큐비트 쌍 간 연산이 가능한 사실상 전체 연결성을 갖추지만 게이트 속도는 상대적으로 느리다.

QUOPS 평가에서 Willow와 Boston은 높은 오메가 수치, 즉 더 빠른 처리 속도를 보였고, Helios는 더 큰 회로를 성공적으로 처리해 높은 Q 점수를 기록했다. 어느 아키텍처가 절대 우위를 지닌다고 단정할 수 없으며, 워크로드 특성에 따라 두 지표의 중요도가 달라진다는 점이 확인됐다.

오류 완화(error mitigation) 기법을 적용하면 세 시스템 모두 더 큰 회로 처리가 가능해지지만, 반복 실행과 추가 후처리에 따른 비용으로 유효 연산 속도가 낮아지는 트레이드오프가 정량화됐다.

논리 큐비트 실험과 10만 배 격차

연구팀은 Helios-1 시스템에서 7큐비트 오류 정정 코드를 이용해 최대 8개의 논리 큐비트를 구현한 소규모 내결함성 프로세서에도 QUOPS를 적용했다. 이는 완성된 내결함성 컴퓨터 시연이 아니라, 동일 벤치마크를 물리 큐비트와 논리 큐비트 시스템 모두에 적용할 수 있음을 보이기 위한 실험이다.

이 연속성은 향후 의미가 커질 수 있다. 개발사마다 서로 다른 오류 정정 코드를 채택할 경우, 논리 큐비트 하나를 만드는 데 필요한 물리 큐비트 수가 크게 달라져 단순 큐비트 수 비교가 무의미해지기 때문이다.

현재 시스템들은 화학, 소재 등 인정받는 과학 문제에 필요한 계산 능력에 약 5 오더(order of magnitude), 즉 10만 배가량 미치지 못하는 것으로 추정됐다. 다만 이 수치는 알고리즘, 오류 정정 코드, 컴파일러, 하드웨어의 개선에 따라 달라질 수 있는 추정값이다.

한계와 유의 사항

QUOPS는 무작위 회로를 범용 스트레스 테스트로 활용하므로, 실제 화학·최적화·소재 애플리케이션을 직접 실행하는 것과는 다르다. 벤치마크 점수가 높다고 해서 특정 상용 문제에서 유용한 결과를 낸다는 보장은 없다. 또한 성공 문턱값 설정, 평가 대상 회로 폭·깊이 범위 선택 등 파라미터에 따라 점수가 달라지며, 두 시스템의 강점이 매우 다를 때 단일 숫자로 전체 성능 영역을 표현하는 것에는 한계가 있다. 논리 큐비트 실험 역시 8개라는 소규모에 그쳤다. 연구진도 이 추정치를 업계 전체의 고정된 목표치로 읽지 않도록 권고하고 있다.