Sandia·Quantinuum·NVIDIA, 양자컴퓨터 통합 성능 벤치마크 QUOPS 발표

기존 지표의 한계와 QUOPS의 등장

양자 하드웨어 평가는 그동안 큐비트 수나 개별 게이트 충실도 같은 구성 요소 단위의 지표에 주로 의존해 왔다. 실제 알고리즘 실행 성능을 전체 시스템 관점에서 비교하기 어렵다는 구조적 한계가 있었다. QUOPS(Quantum Universal Operations Performance System)는 컴파일, 오류 정정, 신드롬 디코딩, 오류 완화 등 전체 실행 파이프라인을 포괄하는 아키텍처 독립적 벤치마크로, 이러한 공백을 메우기 위해 설계됐다.

측정 방법론과 두 가지 핵심 지표

QUOPS는 임의 각도 단일 큐비트 회전 RP(θ)와 CNOT 게이트로 구성된 무작위 회로 층을 다양한 폭(w)과 깊이(depth)에 걸쳐 실행하는 방식으로 작동한다. 이를 통해 두 가지 상위 지표를 산출한다. Q(QUOPS 점수)는 평균 프로세스 편극도 1/√e(약 61%) 이상을 유지하면서 실행 가능한 최대 회로 크기를 나타내며, 회로 폭의 제곱과 세제곱 사이(w² ≤ s ≤ w³)의 기하학적 범위가 기준으로 설정된다. Ω(QUOPS 처리율)는 오류 완화와 사후선택(postselection) 오버헤드를 반영한 초당 실질 연산 처리 수를 측정한다.

플랫폼별 교차 비교 결과

이번 연구에서 측정된 주요 플랫폼의 성적은 양자 방식별로 뚜렷한 차이를 드러냈다. 포획이온 방식 Quantinuum Helios-1(98큐비트)이 Q = 1,504(누설 사후선택 적용 시 1,824)로 가장 높은 점수를 기록했고, H2-1(56큐비트)은 Q = 1,320(사후선택 포함 시 1,392)이었다. 반면 초전도 방식인 Google Willow(105큐비트)는 Q = 216으로 낮지만, 처리율 Ω에서 초당 2.0 × 10⁷ QUOPS로 압도적인 속도를 보였다. IBM ibm_boston(156큐비트)은 Q = 204, Ω = 3.1 × 10⁵ QUOPS/s를 기록했다. Q 점수와 처리율이 반드시 비례하지 않는다는 점, 즉 회로 충실도와 실행 속도가 플랫폼 유형에 따라 상충될 수 있다는 점을 이 결과가 잘 보여준다.

논리 큐비트 내결함성 실행 첫 시연

연구팀은 Helios-1에서 Steane [[7,1,3]] 오류정정 코드로 인코딩된 논리 큐비트 8개를 사용해 완전 내결함성(FTQC) 모드에서도 QUOPS를 실행했다. 매직 상태 주입과 신드롬 추출을 활성화한 Clifford+T 논리 회로를 구동한 결과는 Q = 40, Ω = 4.9 QUOPS/s였다. 물리 큐비트 대비 성능이 크게 낮다는 사실은 오류 정정 오버헤드의 현실을 수치로 드러낸다.

유틸리티 목표와 현재의 격차

QUOPS는 실용적 알고리즘 문제를 회로 크기로 환산하는 기준도 제시한다. RSA-2048 인수분해에는 Q ≈ 2.5 × 10⁸, FeMoco 분자 에너지 고유값 계산에는 Q ≈ 3.4 × 10⁸이 필요한 것으로 추산됐다. 현재 측정된 최고 성능(Q = 1,824)과 비교하면 약 10⁵배, 즉 5자릿수의 격차가 남아 있다. 연구팀은 이 체계를 정부 조달 기준 수립, 하드웨어 로드맵 설계, 내결함성 아키텍처 검증에 활용할 수 있는 표준화된 척도로 제안하고 있다.