Quantinuum, 수학적으로 증명 가능한 양자 우위 게임 실험 성공

Bell 부등식 기반 검증의 한계

양자 시스템이 실제로 양자 효과를 활용하는지 확인하는 가장 대표적 방법은 Bell 부등식 위반 여부를 관찰하는 것이었다. Bell 부등식은 얽힘 입자가 고전 논리 하에서 따라야 할 상관관계 규칙을 수학적으로 기술하며, 이를 위반하면 진정한 양자 거동의 증거로 간주된다. 그러나 이 접근법에는 구조적 약점이 있다. 다수의 Bell 검증 방식이 계산 난이도에 관한 미증명 가정에 의존하고, 실제 하드웨어의 노이즈에 민감하며, 시스템 규모가 커질수록 결과 검증 비용도 급격히 증가한다.

보완표본추출 게임의 원리

Quantinuum 팀은 Bell 검증을 대체하는 새로운 프레임워크를 제안했다. 핵심 아이디어는 모든 가능한 답을 두 동일한 그룹(A, B)으로 나누고, 컴퓨터에게 그룹 A의 한 원소를 주면서 그룹 B의 원소 하나를 출력하도록 요청하는 것이다.

고전 컴퓨터 입장에서 이 과제는 가능성이 늘어날수록 지수함수적으로 어려워진다. 주어진 답이 A 소속임은 알지만, 나머지 후보 중 무엇이 B에 속하는지 알 방법이 없기 때문이다. 반면 양자 컴퓨터는 집합 A 전체를 중첩 상태로 유지한 뒤, '스와퍼(swapper)' 회로를 적용해 이를 직접 보완 집합 B로 변환하고, 측정을 통해 답을 추출할 수 있다.

결정적인 차이는 고전 컴퓨터의 성능 상한이 미증명 가정 없이 수학적으로 확정된다는 점이다. 이는 기존 Bell 검증이 계산 복잡도 가정에 기대야 했던 것과 구별되는 장점이다.

실험 결과: 55큐비트, 지수적 격차 확인

팀은 Quantinuum의 H2 트랩이온 양자컴퓨터를 활용해 수천 개의 회로를 55큐비트까지 확장하며 실험을 진행했다. 실제 하드웨어에서 노이즈가 발생함에도 불구하고, 양자 시스템은 고전 전략이 달성할 수 있는 최대 성능을 일관되게 초과했다. 문제 규모가 커질수록 양자와 고전 간 성능 격차는 이론 예측과 근접하게 지수적으로 확대됐다.

일반적으로 큐비트 수가 늘면 하드웨어 노이즈도 증가해 양자 우위를 보여주기 어려워지는데, 이번 실험에서는 오히려 규모 증가와 함께 격차가 벌어졌다는 점이 주목할 만하다.

의미와 한계, 향후 방향

이번 연구는 검증이 효율적이고, 미증명 가정에 의존하지 않으며, 규모 확장에 따라 일관성 있게 작동하는 양자 우위 테스트를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 다만 현재 실험은 단일 시스템 내에서 이뤄진 것으로, 연구팀은 향후 실제 양자 통신 채널로 연결된 두 대의 물리적으로 분리된 양자컴퓨터 사이에서 더 엄밀한 버전의 실험을 수행하는 것을 목표로 하고 있다. 이 단계가 실현된다면, 양자컴퓨터가 성장함에 따라 신뢰성 있게 검증할 수 있는 확장 가능한 방법론으로 자리잡을 가능성이 있다.