IBM 96큐비트 프로세서로 양자-고전 출력 인계 가능성 검증

연구 배경: 분산 양자 컴퓨팅의 실용적 병목

복수의 양자처리장치(QPU)가 협력하는 분산 양자 컴퓨팅 구조에서는, 고전 제어 시스템이 각 QPU의 계산 결과가 유효한지 판단해 다음 단계로 넘길 수 있어야 한다. 이 연구는 그 중간 단계—양자 출력의 고전 시스템으로의 인계—를 직접 겨냥한다. 완성된 분산 양자 컴퓨터나 양자 네트워크를 구현한 것이 아니라, 작업 스케줄링과 결과 확인을 담당하는 고전 소프트웨어와 양자 계산을 연결하는 데 필요한 기초 역량을 측정하는 데 초점을 맞췄다.

실험 1: Madmartigan Native-Bridge 벤치마크

첫 번째 실험은 IBM Marrakesh 프로세서에서 수행된 Madmartigan Native-Bridge 벤치마크다. 동일한 16큐비트 설계 기반의 6개 영역이 2개의 교차 영역 브리지 쌍으로 연결되는 구조로 총 96개 활성 큐비트가 동원됐다. 회로는 6,000개 이상의 게이트 연산을 포함하며, 이 중 얽힘 형성에 필수적이지만 현재 하드웨어에서 오류의 주된 원인이기도 한 2큐비트 CZ 게이트가 1,241개에 달한다.

각 실행은 4,096회 측정(shot)으로 구성됐으며, 양자 오류 정정이나 사후 선택은 적용되지 않았다. 96큐비트 전체 상태를 재구성하는 대신, 6개 16큐비트 영역 각각의 측정 결과를 이상적 회로 출력과 비교했다. 5회 하드웨어 실행에서 나온 30개 지역 관측치 전부가 의도된 기준 패턴과 일치한다고 연구는 밝혔다.

평가 지표로는 두 가지 통계 측도가 사용됐다. FXEB는 하드웨어 출력이 이상 모델에서 높은 확률로 분류된 비트열을 선호하는지 측정하고, HOG는 측정 결과가 이상 분포의 상위 50% 안에 드는 빈도를 계산한다. HOG 지표 평균값은 약 65%로, 아무런 선호도가 없는 기준치 50%를 상회했다. 이 수치는 회로 전체에 대한 정확도가 아니라, 하드웨어 노이즈에도 불구하고 의도한 패턴이 측정 결과에 잔존했음을 나타내는 지표다.

제어 회로 비교: 패턴 구별력 검증

연구팀은 주 실험 회로를 세 가지 제어 회로와 비교했다. 유사한 규모의 일반 무작위 회로, 원래 회로의 위상 구조를 변경한 회로, 얽힘 패턴 일부를 제거한 회로로 각각 구성됐다. 각 제어 회로는 고유의 조직화된 출력을 생성했으나 주 실험의 기준 패턴과는 일치하지 않았다. 이상 모델과 대조했을 때 각 회로는 자신의 기준 패턴에 대해 가장 높은 점수를 보여, 단순한 비무작위 신호 감지를 넘어 회로별 패턴을 구별할 수 있음을 시사했다.

실험 2: 양자 측정 결과의 고전 명령 변환

두 번째 실험은 16큐비트 회로에 내부 송신-라우팅-수신 구조를 구현해, 측정된 양자 상태가 고전 네트워크 동작을 유발할 수 있는지를 테스트했다. IBM 프로세서에서 가장 빈번하게 측정된 8개 결과는 사전에 예측된 상위 8개 출력과 일치했다. 소프트웨어는 최빈 측정 상태를 PING 명령으로 변환했고, 이 명령이 두 고전 컴퓨터 간 UDP 기반 표준 데이터 패킷 전송을 승인·유발했다. 수신 컴퓨터는 IBM 백엔드 정보, 양자 작업 식별 번호, 지배적 측정 상태 등을 기록해 고전 행동과 양자 하드웨어 실행 간 연결 이력을 생성했다.

한계와 향후 과제

이번 연구는 IBM Marrakesh 단일 장치만을 사용한 예비적 성격의 연구다. 별도의 QPU 간 연결, 네트워크를 통한 얽힘 분배, 원거리 양자 정보 전송 등은 다루지 않는다. 다른 하드웨어와 다양한 캘리브레이션 조건에서의 재현 검증이 필요하다. 연구팀이 제시한 후속 과제로는 다양한 하드웨어 조건에서의 반복 실험, 새로운 회로 설정 테스트, 측정 데이터 감사, 명령 메커니즘의 분산 양자 워크플로 시뮬레이터 통합 등이 있다. 연구는 미래 분산 양자 시스템의 평가 기준이 큐비트 수나 연결성에 그치지 않고, 출력의 인식 가능성·감사 가능성·고전 시스템 활용 가능성까지 포함해야 한다고 제안한다.