QUOPS 벤치마크, Google·IBM·Quantinuum 양자컴퓨터 성능 격차 수치화

QUOPS 벤치마크의 설계 원리

기존 양자컴퓨터 성능 평가는 개별 큐비트 오류율이나 특정 게이트 충실도에 집중되어 있어, 서로 다른 구조의 시스템을 직접 비교하기 어려웠다. 이번에 제안된 QUOPS(Quantum Universal Operation Performance System)는 개별 연산 단위 대신, 실제 과학 계산에서 쓰이는 회로 유형을 모사한 무작위 큐비트 연산 패턴을 실행해 시스템 전체의 회로 처리 능력을 측정한다. 점수는 큐비트 수(w)와 게이트 수(s)로 구성된 회로 공간에서 w²≤s≤w³ 범위 내 성공적으로 실행 가능한 최대 회로 크기로 정의된다. 연산 처리량(초당 연산 수)도 함께 측정한다. 해당 연구는 arXiv에 사전 공개됐다(DOI: 10.48550/arxiv.2609.12146).

기기별 성능 비교: 구조가 성능을 결정

세 시스템은 설계 철학이 달라 서로 다른 강점과 약점을 보였다. Quantinuum의 Helios-1 포획이온(trapped-ion) 프로세서는 QUOPS 점수 1,500 이상을 기록해 세 시스템 중 가장 높은 회로 크기 처리 능력을 나타냈다. 이 시스템에서는 임의의 큐비트 쌍이 서로 통신할 수 있어 회로 구성 자유도가 높지만, 이온을 물리적으로 이동시켜야 하므로 연산 속도가 느리다는 단점이 있다.

반면 Google의 Willow 프로세서와 IBM의 초전도 방식 프로세서는 격자형 칩 배치를 채택하고 있어 큐비트 간 통신이 인접한 노드로 제한된다. 이로 인해 두 시스템의 QUOPS 점수는 약 200 수준에 그쳤다. 그러나 Google Willow는 초당 2,000만 건의 연산을 처리하는 높은 속도를 기록했다. 현재까지 물리 하드웨어에서 달성된 최고 QUOPS 점수는 1,824점이다.

실용 계산까지의 격차

양자컴퓨팅의 핵심 응용으로 꼽히는 RSA 2048 암호 해독이나 복잡한 분자 시뮬레이션을 실행하려면 약 2억 5,000만에서 3억 4,000만 점의 QUOPS 점수가 필요하다. 현재 최고 점수인 1,824점 대비 약 5자릿수, 즉 10만 배에 달하는 격차다. 이를 메우려면 오류율의 대폭 감소, 물리 큐비트 수 확대, 또는 양자 오류 정정(fault tolerance)을 적극 활용하는 설계 혁신이 필요하다. 연구팀은 현재 성능 수준에서 이 격차를 줄이려면 내결함성 접근이 불가피하다고 명시했다.

공통 척도의 필요성과 한계

QUOPS는 서로 다른 물리적 구현 방식의 양자 시스템을 동일한 기준에서 비교할 수 있는 첫 시도 중 하나다. 이는 연구자와 투자자, 정책 입안자가 기술 성숙도를 독립적으로 추적하고 검증하는 데 기여할 수 있다. 다만 QUOPS가 모든 양자 알고리즘 유형을 포괄하는 것은 아니며, 특정 유형의 무작위 회로를 기반으로 하는 만큼 벤치마크 자체의 대표성에 대한 후속 논의가 필요하다. 세 시스템 이외의 플랫폼(광양자, 중성 원자 등)을 포함한 평가도 과제로 남는다.