Quantinuum 'Helios', 98큐비트 트랩이온 시스템으로 오류율 새 기준 제시

시스템 개요

Quantinuum은 미국 콜로라도주 브룸필드 소재 연구소에서 98개의 바륨 이온을 전기장으로 포획하고 절대영도 근방으로 냉각해 큐비트로 활용하는 양자컴퓨터 Helios를 개발했다. 자사 이전 모델인 System Model H2가 56큐비트였던 것과 비교해 큐비트 수를 크게 늘렸다. 이번 Nature 논문은 Helios가 고전 컴퓨터로 시뮬레이션하기 어려운 연산 영역에 진입했다고 평가한다.

오류율: 큐비트 수보다 중요한 지표

양자컴퓨터 평가에서 큐비트 수 자체는 충분한 척도가 되지 못한다. 오류율이 높으면 알고리즘이 길어질수록 결과 신뢰성이 빠르게 무너지기 때문이다. 양자 연산의 오류는 누적되므로, 실용적 알고리즘이 요구하는 수천에서 수백만 회의 연산 과정에서 오류율의 미세한 차이가 최종 결과의 신뢰 가능 여부를 가른다.

Helios의 단일큐비트 게이트 평균 오류율은 10만 분의 약 2.5 수준이다. 2큐비트 게이트의 평균 오류율은 1만 분의 약 7.9로, 현재 최고 수준으로 알려진 1만 분의 5 정도와 동일한 성능대에 놓인다. 오류 보정은 양자컴퓨팅 전반에서 핵심 과제로 남아 있으며, 이 수치는 그 기술적 진전 정도를 가늠하는 직접적 지표다.

QCCD 아키텍처와 전방위 연결성

Helios는 양자 전하 결합 소자(QCCD) 구조를 기반으로 한다. 이온들은 메모리 영역에 저장되다가 연산이 필요한 순간 레이저 펄스 조작이 이뤄지는 연산 영역으로 물리적으로 이동한다. 링 형태의 저장 공간과 분기점이 이온 이동 경로를 조율하는 구조로, 저장·이동·연산을 분리한 설계다.

또한 Helios는 임의의 두 큐비트 사이에 직접 상호작용이 가능한 전방위 연결(all-to-all connectivity) 구조를 채택했다. 격자형 연결 구조에서는 인접하지 않은 큐비트 간 정보 전달 시 중간 단계를 반복해야 하며, 그때마다 시간과 오류가 추가된다. 전방위 연결은 알고리즘 구조가 물리적 배치에 얽매이지 않아도 되므로, 다양한 양자 알고리즘 구현에 유리하다.

실시간 제어 소프트웨어와 벤치마크

Helios에는 프로그램 실행 도중 이온 이동 경로와 게이트 실행 순서를 실시간으로 결정하는 소프트웨어가 탑재됐다. 연산 도중의 측정값에 따라 이후 연산이 달라지는 고급 양자 알고리즘에서 이 기능은 필수적이다. 벤치마크 측면에서 Helios는 고전 컴퓨터로 시뮬레이션하기 매우 어려운 무작위 양자 회로 실행 능력을 입증했다. 다만 이는 기계의 계산 복잡성을 검증하는 지표이며, 신약 개발이나 최적화 등 실제 산업 문제를 직접 해결했다는 의미와는 구분된다.

기술적 의의와 한계

Helios 한 대가 양자컴퓨팅의 판도를 즉각 바꾸는 것은 아니다. 트랩이온 방식은 높은 정확도가 강점이나, 규모를 키우면서 이 정확도를 유지하는 일은 엔지니어링 측면에서 난제다. Helios는 큐비트 규모·오류율·연결성·프로그래머빌리티를 단일 시스템에 동시에 구현했다는 점에서 단계적 진전으로 평가된다. 특정 산업 문제에서 실질적 양자 이점이 실현되려면 오류 보정 기술의 추가 발전과 큐비트 수 확장이 더 필요하다는 점은 분야 전반의 공통된 인식이다.