Google Quantum AI, Willow 프로세서서 매직 상태 배양 첫 구현…T-상태 충실도 99.99% · 오류 40배 감소

오류 허용 양자컴퓨팅의 고질적 병목

범용 내결함성 양자컴퓨팅을 실현하려면 클리퍼드 게이트만으로는 불충분하며, 비클리퍼드 연산인 T-게이트를 구현하기 위한 고품질 T-상태 공급이 필수다. 지난 20여 년간 표준으로 사용된 '마법 상태 증류(distillation)' 방식은 전체 물리적 큐비트 자원의 90~95%를 T-상태 생산에 소모한다고 이론적으로 예측되어 왔다. 이 비중은 현실적인 대규모 내결함성 시스템 구축을 어렵게 만드는 핵심 장벽이었다.

배양(Cultivation) 방식의 원리와 실험 설계

이번 연구에서 Google 팀이 적용한 '배양' 방식은 증류와 달리, 칩의 국소적으로 작은 영역에 초기 노이즈 상태를 주입한 뒤 거리-3 색깔 코드(distance-3 color code)를 통해 오류 필터링을 수행한다. 색깔 코드는 배양에 특화된 양자 오류 정정 구조로, 상태의 순도가 검증된 이후 거리-5 표면 코드(distance-5 surface code)로 이식(grafting)하는 코드 전환 프로토콜을 실행한다. 이러한 '소형 패치 코드 전환' 설계 덕분에 전체 큐비트 점유율을 증류 대비 획기적으로 낮출 수 있었다.

실험 과정에서 팀은 저주파 측정 잡음과 환경 드리프트 문제를 극복하기 위해 '킥백 단층촬영(Kickback Tomography, KT)'이라는 자기 참조 양자 계측·벤치마킹 프로토콜을 자체 개발했다. 이를 통해 하드웨어에서 T-상태 충실도를 엄밀하게 경계 추정하는 방법론도 함께 제시됐다.

핵심 성과 수치

Willow 프로세서에서 달성된 논리적 T-상태 충실도는 99.99(1)%로 오류율이 0.0001 이하에 해당한다. 기존 증류 방식 대비 오류는 40배 감소했다. 다만 양자 상태 유지 비율은 8%로, 내결함성 측정 필터링을 통과한 상태만 보존되기 때문에 실제 처리량 대비 수율은 제한적이다. 이 수율 문제는 대규모 시스템으로의 확장 시 해결해야 할 과제로 남는다.

기술 로드맵에서의 위치와 한계

이번 실험적 성과는 Google이 2024년에 제시한 배양 이론 프레임워크를 하드웨어 수준에서 최초로 검증한 것이다. 또한 기존 Willow에서 발표된 양자 오류 정정 임계값 결과와 모듈형 쌍곡선 qLDPC 아키텍처 로드맵을 보완하는 위치에 있다. 그러나 이번 실험은 소규모 패치에 국한된 개념 증명 단계이며, 수백~수천 논리 큐비트가 필요한 실용 알고리즘에 배양 방식을 전면 통합하기까지는 상당한 공학적 과제가 남아 있다.