에든버러대·EPCC 연구진, 슈퍼컴퓨터 대비 연산자원 5%로 가우시안 보손 샘플링 일반 PC 구현

연구 배경: 양자 시뮬레이션의 벽

현재 양자컴퓨터는 원리적으로 기존 슈퍼컴퓨터를 압도하는 연산 능력을 갖출 수 있지만, 실제 디바이스는 큐비트 수가 적고 오류율이 높아 성능에 한계가 뚜렷하다. 이를 극복하려면 양자 디바이스의 동작 방식을 시뮬레이션해 설계 결함을 파악하고 개선 방향을 도출하는 과정이 필수적이다. 그러나 이 시뮬레이션은 전 세계 소수의 시설에서만 보유한 대규모 슈퍼컴퓨팅 자원을 요구해 연구 접근성이 크게 제한되어 왔다.

핵심 기술: 가우시안 보손 샘플링의 일반 컴퓨터 구현

이번에 에든버러대 정보학과 라울 가르시아-파트론 산체스(Raul Garcia-Patron Sanchez) 박사 팀이 개발한 알고리즘은 가우시안 보손 샘플링(Gaussian Boson Sampling, GBS)을 일반 컴퓨터에서 처음으로 실행할 수 있도록 설계됐다. GBS는 빛 기반 양자 프로세서, 즉 광자 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터 대비 우위를 갖는다는 점을 실증하는 데 활용되는 시뮬레이션이다. 연구팀은 메모리 사용량, 실행 시간, 에너지 소비를 모두 크게 낮추면서도 기존 슈퍼컴퓨터 수준의 결과를 재현했다고 밝혔다. 이 연구에는 캐나다 폴리테크니크 몽레알 연구진도 참여했으며, 결과는 학술지 《Science Advances》에 게재됐다(DOI: 10.1126/sciadv.aef8431).

성능 검증: 일부 양자 디바이스와 동등 또는 우위

실험 결과, 개발된 알고리즘을 탑재한 일반 컴퓨터는 현재 운용 중인 일부 광자 양자 디바이스와 동등하거나 오히려 더 나은 GBS 수행 능력을 보여줬다. 이는 고전 시뮬레이션이 현시점의 광자 양자 하드웨어를 부분적으로 추월할 수 있음을 시사하며, 소위 '양자 우위(quantum advantage)' 주장에 대한 검증 기준으로도 활용될 수 있다.

확장 가능성과 의의

연구팀은 현재 동일한 연산 자원으로 더 대규모 시뮬레이션을 실행할 수 있도록 알고리즘 확장 작업을 진행 중이다. 이것이 실현되면 광자 양자컴퓨터를 이전에는 불가능했던 수준의 세밀도로 시뮬레이션하는 것이 가능해진다. 나아가 연구 비용 절감과 접근성 향상 측면에서 양자컴퓨터 설계 사이클 전반을 가속할 수 있다는 평가도 나온다.

한계와 전망

이 알고리즘이 다루는 영역은 광자 기반 양자컴퓨팅에 국한된다는 점을 주목해야 한다. 초전도 큐비트나 이온트랩 기반 시스템에 동일한 방법론이 적용되는지는 별도의 검증이 필요하다. 또한 고전 컴퓨터가 양자 디바이스를 시뮬레이션할 수 있다는 사실이, 반대로 해당 양자 디바이스의 '양자 우위' 주장을 약화시킬 수 있다는 해석도 가능하다. 연구의 실질적 기여는 슈퍼컴퓨터 없이도 연구기관과 기업이 광자 양자 시스템을 저비용으로 검증할 수 있는 환경을 만드는 데 있다.