구글은 2024년 12월 양자컴퓨터 칩 ‘윌로’를 선보이며 글로벌 최고 수준의 오류 정정 기술을 강조했습니다. 외부 환경의 영향에 취약하다는 양자컴퓨터의 단점을 보완할 기술이죠. 구글은 오류 정정이 양자컴퓨터 상용화의 관건이라고 보고 기술 고도화에 집중해왔습니다. 그 결과 윌로 출시 1년여 만인 최근 또다른 신기술 개발 성과를 거뒀습니다.
구글은 13일(현지 시간) 자사 블로그를 통해 새로운 오류 정정 기술 ‘다이내믹 서피스 코드(동적 표면 코드)’를 공개했습니다. 표면 코드는 윌로 공개 당시 핵심 기술로 함께 소개됐던 기술인데요. 이를 한층 더 고도화했다는 겁니다. 구글이 동적 표면 코드와 대비시켜 표현한 기존 ‘정적 표면 코드’부터 다시 무엇인지 상기해보겠습니다.
양자컴퓨터는 0과 1의 정보를 동시에 가진 큐비트라는 입자 단위로 계산을 합니다. 다만 큐비트는 외부 영향에 취약해서 0을 1로, 또는 1을 0으로 잘못 계산할 수도 있습니다. 이에 여러 큐비트 여러 개에게 같은 계산을 맡겨서 계산 결과를 교차 검증하는 방식으로 오류를 줄이는 방식이 쓰이고 있습니다. 같은 계산을 하는 여러 큐비트들의 집합을 ‘논리적 큐비트’라고 합니다. 실질적으로는 큐비트 하나하나가 아니라 논리적 큐비트가 하나의 계산을 수행하는 단위인 셈입니다.
표면 코드는 구글이 만든 논리적 큐비트 구조, 즉 실제 큐비트들을 효율적으로 묶어 논리적 큐비트를 구성할 수 있는 배열입니다. 구글은 윌로 공개 당시 사각 격자 구조로 표면 코드를 만들어 공개했습니다. 표면 코드가 커질수록, 즉 이 구조의 논리적 큐비트를 구성하는 실제 큐비트들이 많아질수록 교차 검증이 더 철저히 이뤄질 테니 오류도 더 잘 잡을 수 있겠죠. 실제로 구글은 표면 코드 크기를 3X3격자(17큐비트)→5X5격자(49큐비트)→7X7격자(97큐비트)로 키울 때마다 계산 오류율이 2.14배씩 감소한다는 결과를 얻어 당시 네이처에 발표했습니다.
이번에 공개한 동적 표면 코드는 이 같은 표면 코드 구조를 다양화하고 필요에 따라 구조를 바꿔서 최적의 것을 활용함으로써 오류 정정 성능을 한층 높일 수 있는 기술입니다. 구글은 구체적으로 ‘육각형 회로’, ‘워킹 회로’, ‘iSWAP 회로’라고 부르는 세 구조를 제시했습니다. 육각형 회로는 커플러 수를 줄이고, 워킹 회로는 비계산 오류를 제한하며, iSWAP 회로는 비표준 2큐비트 얽힘 게이트의 활용을 허용한다는 설명인데 결국 요지는 각자 서로 다른 장점을 가져서 유연하게 활용할 수 있다는 겁니다.
대표적으로 육각형 회로는 큐비트 배열을 사각 격자 대신 육각 격자로 바꾼 구조입니다. 육각형 벌집 모양을 생각해보면 큐비트가 이웃한 다른 큐비트 3개와 연결되는 구조입니다. 기존 사각 격자는 이웃한 큐비트 4개와 연결되죠. 육각형 회로가 연결을 더 단순화, 나아가 실제 양자칩의 설계와 제작 공정을 단순화할 수 있다는 설명입니다. 구글은 실험 결과 육각 격자가 기존 사각 격자보다 오류 억제 계수를 15% 향상시켰다고 전했습니다. 구글은 지난해 6월 이 같은 육각 격자의 표면 코드를 ‘컬러(색상) 코드’라는 이름으로 한차례 네이처에 발표하기도 했죠.
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