AWS, 양자 오류 수정 비용 최대 90% 줄인 칩 '오셀롯' 공개

양자 컴퓨팅의 가장 큰 골칫거리는 큐비트 수를 늘리는 것 자체가 아니라, 사소한 외부 노이즈 때문에 계산 오류가 끊임없이 터져 나온다는 점입니다.

미세한 진동이나 온도 변화, 와이파이 전파만 스쳐도 큐비트의 양자 상태가 깨져 버립니다. 이를 막기 위해 기존 방식에서는 계산용 큐비트 하나를 지키려고 수많은 보조 큐비트를 배치하는 양자 오류 정정 기법을 써왔는데, 투입되는 하드웨어 자원이 너무 막대해 상용화의 거대한 장벽으로 꼽혔습니다.

AWS가 이러한 양자 오류 정정 구현 비용을 기존 방식 대비 최대 90%까지 줄여주는 새로운 양자 컴퓨팅 칩 오셀롯(Ocelot)을 공개했습니다. 캘리포니아 공과대학교(Caltech)에 위치한 AWS 양자 컴퓨팅 센터 팀이 개발했으며, 연구 결과는 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재되었습니다.

1제곱센티미터 칩에 올린 '캣 큐비트'

오셀롯의 핵심은 큐비트를 먼저 만든 뒤 오류 정정을 덧붙이는 방식 대신, 설계 초기부터 오류 정정을 내장한 캣 큐비트(cat qubit) 아키텍처를 도입했다는 점입니다.

슈뢰딩거의 고양이 사고실험에서 이름을 딴 캣 큐비트는 특정 형태의 오류를 물리적으로 자체 억제하는 특성을 지닙니다. 덕분에 오류 감시와 복구에 동원해야 하는 부가 리소스를 획기적으로 덜어낼 수 있습니다.

칩 하드웨어는 면적이 각각 약 1제곱센티미터인 두 개의 실리콘 마이크로칩을 위아래로 맞붙여 전기적으로 연결한 적층 구조로 제작되었습니다.

내부에는 계산을 맡는 5개의 캣 큐비트, 이들을 안정화하는 5개의 버퍼 회로, 오류를 감지하는 4개의 추가 큐비트까지 총 14개 핵심 부품이 들어있습니다. 캣 큐비트의 신호 생성기에는 초전도 재료인 탄탈룸 박막이 사용되었으며, 기존 마이크로일렉트로닉스 반도체 공정을 활용해 대량 생산이 가능한 구조로 설계되었습니다.

오류 정정 자원 10분의 1, 실용화 최대 5년 앞당긴다

AWS 양자 하드웨어 디렉터 오스카 페인터는 완제품 제조 시 불량을 잡기 위해 검사 지점을 10개 두던 것을 단 1개로 줄인 것과 같은 원리라고 설명합니다.

AWS는 오셀롯 아키텍처를 바탕으로 칩을 확장할 경우, 완전한 내결함성 양자 컴퓨터를 구현하는 데 필요한 비용이 기존 방식의 5분의 1 수준으로 줄어들 것으로 내다봤습니다. 또한 실용적인 양자 컴퓨터를 현실화하는 일정이 최대 5년 단축될 수 있다고 보고 있습니다.

다만 오셀롯은 현재 개념을 검증하는 프로토타입 단계입니다. AWS는 과거 클라우드용 자체 CPU인 그래비톤(Graviton)을 수년에 걸쳐 고도화했던 방식과 마찬가지로 장기적인 엔지니어링 투자를 이어갈 계획입니다.

왜 중요한가

우리는 AWS가 단순히 큐비트 숫자를 늘리는 마케팅성 경쟁에서 벗어나, 양자 컴퓨팅의 진짜 병목인 오류 정정 비용을 정조준했다는 점을 높게 평가합니다.

수백, 수천 개의 물리 큐비트를 달성했다고 발표해도 오류 정정이 불가능하면 실제 가치를 만들어낼 수 없습니다. AWS는 처음부터 캣 큐비트를 선택해 하드웨어 단에서 오류를 억제하고, 기존 반도체 공정으로 제조 가능한 적층 칩을 만들어냄으로써 실용화로 가는 가장 현실적인 우회로를 찾아냈습니다.

일반 기업이나 연구자 입장에서 오셀롯 칩을 지금 당장 프로덕션 업무에 투입할 수는 없습니다. 하지만 AWS의 완전 관리형 서비스인 아마존 브라켓(Amazon Braket)을 통해 서드파티 양자 하드웨어와 시뮬레이터를 다뤄보며 다가올 양자 알고리즘 생태계에 대비하는 것은 충분히 시도해 볼 만합니다.

산업 측면에서는 IBM이나 구글 등 기존 초전도 큐비트 진영에 적잖은 자극이 될 것으로 보입니다. 물리적 큐비트를 무작정 쌓는 방식보다 하드웨어 내재형 오류 억제 방식이 비용과 확장성에서 우위를 입증한다면, 양자 하드웨어 주도권의 판도가 크게 뒤흔들릴 수 있습니다.