Google Quantum AI - 검증 가능한 양자 우위 달성

구글 Quantum AI가 며칠전인 2025년 10월 22일에 Willow 칩과 Quantum Echoes 알고리즘으로 ‘검증 가능한 양자 우위’를 달성했다는 내용을 공식 발표하며 양자 컴퓨팅 분야에서 또 다른 이정표를 세웠습니다. 이는 **검증 가능한 양자 우위(Verifiable Quantum Advantage)**를 달성한 역사상 첫 번째 사례로, Willow 칩에서 슈퍼컴퓨터 대비 13,000배 빠른 속도로 알고리즘을 실행했습니다.

 

2019년에는 Sycamore 우월성부터 2024–25년 오류보정(QEC) 임계치 하 결과, 13,000× 속도 비교, NMR 기반 검증, 로드맵·경쟁사 동향까지 정리해 보겠습니다.

 

 

1. 한눈에 보기 — 이번 발표의 본질

검증 가능한 양자 우위(Verifiable Quantum Advantage): Willow(105-큐비트)에서 Quantum Echoes 알고리즘을 실행, OTOC(Out-of-Time-Order Correlator) 계산을 수행하며, 현존 최고 성능의 슈퍼컴퓨터 Frontier가 약 3.2년이 걸릴 계산을 단 2시간 만에 완료했습니다. 동급 최고 고전 알고리즘+최상급 슈퍼컴 대비 최대 13,000× 속도 우위입니다. 

 

‘우월성’에서 ‘유용성/검증성’으로의 전환: 가장 중요한 점은 이 결과가 검증 가능하다는 것입니다. 다른 양자 컴퓨터에서도 재현 가능하고, 실제 실험(NMR)을 통해 검증할 수 있어 과학적 신뢰성이 확보되었습니다. 2019년 Sycamore는 과제 특이적 샘플링 벤치마크였던 반면(해석·반론 동반), 2025년 Quantum Echoes는 물리 시뮬레이션(OTOC 기반)·실험(NMR)과 합치를 전면에 내세웠습니다. 캘리포니아 대학과의 협업을 통해 두 개의 소형 분자 구조를 연구한 결과, 기존 NMR 기법과 일치하는 결과를 얻었을 뿐만 아니라 NMR로는 얻을 수 없는 추가 정보까지 확인했습니다. 이는 "분자 자(molecular ruler)"로 작동하여 원자 간 상호작용을 더 정밀하게 측정할 수 있음을 의미합니다

 

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2. 타임라인 & 하드웨어 진화

연도	Chip / 주요 성과	핵심 포인트
2019	Sycamore(53q): 무작위 회로 샘플링을 200초에 수행(당시 고전 대비 극단적 속도 우위 주장)	실용성·검증가능성 논쟁이 뒤따름
2024.12	Willow 공개(~105q) + QEC 임계치 하: 코드거리 7 메모리에서 사이클당 논리오류율 0.143%, 코드거리 +2 시 Λ=2.14±0.02로 오류 억제 계수 관측	“아래-임계치” 정권 진입(스케일↑ ⇒ 오류↓)
2025.10	Quantum Echoes on Willow: OTOC 기반 물리 시뮬레이션을 검증가능한 방식으로 수행, ~13,000× 속도 우위	실험(NMR)과의 교차 확인·재현성 강조

Willow 성능 포인트: 전영역 평균 게이트/판독 정확도(99.97% 1q, 99.88% 2q, 99.5% readout) 등 105-큐비트 어레이 전반의 수치를 공개. 결맞음(T1)은 요약 자료/스펙 시트 기준 수십~100 μs급(평균 68±13 μs 보고).

 

2019년: 양자 우월성 최초 달성

구글은 Sycamore 프로세서(53큐비트)로 양자 우월성을 최초로 입증했습니다. 200초 만에 완료한 계산이 당시 최고 성능의 슈퍼컴퓨터로는 약 10,000년이 걸릴 것으로 추정되었으며, 이는 Nature 저널에 게재되었습니다.​

IBM은 고전 알고리즘 최적화를 통해 이 계산을 2.5일로 단축할 수 있다고 반박했지만, 구글의 성과는 양자 컴퓨터가 특정 작업에서 고전 컴퓨터를 능가할 수 있음을 보여준 첫 사례로 인정받고 있습니다.​

 

2023년: 양자 오류 정정 프로토타입

구글은 서피스 코드를 이용한 논리 큐비트를 구현하며 Milestone 2를 달성했습니다. 코드 거리 3과 5를 구현하여, 큐비트 수 증가에 따라 오류율이 감소함을 최초로 입증했습니다.​

 

2024년 12월: Willow 칩 - 오류 정정의 획기적 돌파

Willow 칩(105큐비트)은 양자 컴퓨팅의 가장 큰 난제였던 오류 정정에서 획기적인 성과를 달성했습니다.​

Below-threshold 달성: 코드 거리를 5에서 7로 증가시킬 때 논리 오류율이 2.14배 감소하는 것을 실증했습니다. 이는 30년간 추구해온 임계점을 넘어선 것으로, 큐비트를 추가할수록 시스템이 더 안정화된다는 것을 의미합니다.​

하드웨어 성능 향상: T1 결맞음 시간이 100마이크로초로 Sycamore의 20마이크로초 대비 5배 향상되었습니다. 논리 큐비트의 수명이 최고 성능의 물리 큐비트보다 2배 이상 길어졌습니다.​

RCS 벤치마크: Random Circuit Sampling 작업을 5분 만에 완료했으며, 이는 슈퍼컴퓨터로 10 septillion년(10²⁵년, 우주 나이보다 수십억 배 긴 시간)이 걸릴 계산입니다.

 

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3. 구글 양자컴퓨팅의 핵심 개념 Quantum Echoes: 왜 ‘검증 가능’한가?

• Quantum Echoes – 시간 역행 상관자(OTOC) 알고리즘 개념: 
  • 양자 시스템의 시간 역행 과정을 모사하는 OTOC(Out-of-Time-Order Correlator) 기법 활용
  • 실제 NMR (핵자기 공명) 실험으로 결과 검증 가능
  • 분자 간 거리·구조 추론 → 신약 개발 및 신소재 연구에 응용
• 검증 메커니즘: 동일 분자에 대한 NMR 실험 데이터와 양자 시뮬레이션 결과를 정량 비교(예: 벤젠 H-H 거리 추정), 현실 실험과의 합치로 결과를 교차 검증. (동료 기관 협업 포함)
• 성능 비교: Frontier 등급 슈퍼컴+최신 고전 알고리즘이 ~3.2년 소요로 추정되는 태스크를 Willow가 ~2.1시간에 수행 → ~13,000× 배 빠른 성능. (보도/기술 요약 다수 일치)

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4. 오류보정(QEC) 성과 — ‘임계치 하’의 정량값

양자 오류 정정의 혁신

양자 컴퓨터의 최대 난제는 큐비트의 취약성입니다. 외부 환경과의 미세한 상호작용만으로도 양자 상태가 손실되는 현상(decoherence)이 발생하기 때문입니다.​

 

이를 극복하기 위해 구글은 표면코드(Surface Code) 방식을 도입했습니다. 구글의 서피스 코드 접근법은 여러 물리 큐비트를 결합하여 하나의 논리 큐비트를 생성합니다. Willow는 코드 거리 3, 5, 7을 모두 구현하며, 큐비트 수가 증가할수록 오류가 지수적으로 감소함을 증명했습니다. 이는 확장 가능한 양자 컴퓨터로 가는 핵심 전제조건입니다.​

실시간 오류 정정 기술도 개발되어, 계산 중에 발생하는 오류를 즉시 감지하고 수정할 수 있게 되었습니다.​

 

검증 가능한 알고리즘 개발

이전의 양자 우월성 실험은 실용적 응용이 없는 벤치마크 작업에 국한되었습니다. 반면 Quantum Echoes는 실제 과학 문제를 해결할 수 있는 알고리즘입니다.​

 

이 알고리즘은 NMR(핵자기공명) 데이터를 활용하여 분자의 기하학적 구조를 계산합니다. 다른 양자 컴퓨터에서도 재현 가능하고, 실험적으로 검증할 수 있어 과학적 신뢰성이 높습니다.​

 

QEC 임계치 하 달성

• Willow 시대 이전(2024 말) 구글은 코드거리 3→5→7 확장 시 논리 오류율이 0.143% → 0.067% 로 감소함을 실험적으로 입증했습니다.
• 즉, 큐비트 수를 늘릴수록 오히려 시스템이 안정화되는 “below-threshold” 상태에 도달한 것입니다.

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5. 무엇이 ‘실용’으로 연결되나: NMR·Hamiltonian 학습 → 신약·신소재

• NMR-연계 시뮬레이션: 실험적 NMR 신호(로슈미트/에코)와 합치되는 OTOC 데이터 학습으로 분자 기하·거리 정보를 추정 → 분자 구조·상호작용 파라미터의 정밀 추정(molecular “ruler”) 전망. Quantum Echoes는 분자 ‘자(molecular ruler)’로 작동하여 NMR로는 관측 불가능했던 원자 간 상호작용을 측정 → 단백질 결합 메커니즘 분석, 신약 후보 물질 발굴 가속
• 신소재 및 에너지 소재 연구: 원자 단위의 재료 특성을 양자 시뮬레이션으로 예측 → 배터리, 초전도체, 자가 치유 소재 설계에 활용
• AI 와의 융합(AlphaFold × Quantum AI) : AlphaFold의 단백질 예측 AI와 양자 시뮬레이션을 결합하면, 실제 양자역학적 데이터로 단백질 접힘(protein folding) 을 더 정확히 예측할 수 있음

로드맵

• 로드맵 함의: 구글은 **Milestone 3(장수명 논리 큐비트)**를 다음 목표로 명시. 다중 논리 큐비트 상호작용·디코더 속도·수율 등 남은 과제가 현실 응용의 관건

단계	연도	이정표	상태
Milestone 1	2019	Sycamore – Beyond Classical 연산	✅
Milestone 2	2023	QEC 프로토타입 (논리 큐비트)	✅
Milestone 3	2025	Willow + Quantum Echoes (검증 가능 양자 우위)	✅
Milestone 4	2027 예상	장수명 논리 큐비트 (Long-Lived Logical Qubit)	⏳
Milestone 5	2029 예상	오류보정된 범용 양자 컴퓨터 완성	🚧

 

Google's Quantum Computing Roadmap

 

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6. 다른 경쟁자들은?

IBM:

IBM은 1,121큐비트의 Condor 프로세서를 개발하며 큐비트 수에서 앞서고 있습니다. IBM Quantum Experience와 Qiskit 프레임워크를 통해 클라우드 기반 접근성을 강조하며, 2033년까지 4,000+ 큐비트의 양자 중심 슈퍼컴퓨터 구축을 목표로 합니다.​

 

IBM은 "Quantum Volume"이라는 전체적 성능 지표를 개발하여, 단순 큐비트 수보다 오류율, 연결성, 결맞음 시간 등을 종합적으로 평가합니다. 구글의 Sycamore 발표 시 고전 알고리즘 최적화를 통해 계산 시간을 단축할 수 있다고 반박하며, "양자 우월성"이라는 용어에 신중한 입장을 유지하고 있습니다.

 

Microsoft:

Majorana 1(2025.2)로 위상 큐비트 경로 제시(토포컨덕터 물질). 다만 동종 업계/학계의 검증·스케일링 신중론 존재. Microsoft는 위상 큐비트(Topological qubit) 접근을 선택했습니다. 2025년 2월 발표된 Majorana 1 칩은 8개의 위상 큐비트를 탑재하고 있으며, 본질적으로 오류에 강한 특성을 가집니다.​DARPA의 US2QC 프로그램 최종 단계에 선정된 두 기업 중 하나로, 실용 규모의 내결함성 양자 컴퓨터 개발을 추진 중입니다.​

 

토포컨덕터(topoconductor)라는 새로운 물질을 개발하여 마요라나 입자를 관찰하고 제어합니다. 디지털 제어 방식으로 각 큐비트를 개별 조정할 필요가 없어 시스템 복잡도가 크게 감소합니다. Microsoft는 한 손에 들어가는 크기의 칩에 100만 큐비트를 집적할 수 있는 경로를 제시하고 있습니다.​

 

중국(USTC):

Zuchongzhi-3.0(105q) 공개, 고충실도 수치와 RCS 성과 보고. (초전도/광자 이중 전략).  중국은 정부 주도의 대규모 투자(152억 달러 이상)로 양자 기술을 국가 전략으로 추진하고 있습니다.​

중국과학기술대학(USTC)은 2024년 12월 Zuchongzhi 3.0(105큐비트)을 공개했습니다. 구글의 Willow와 동일한 큐비트 수를 가지며, 단일 큐비트 게이트 충실도 99.90%, 2큐비트 게이트 99.62%의 성능을 보입니다. 향후 몇 개월 내 코드 거리 7, 그리고 9와 11로 확장할 계획입니다.​

중국은 초전도 방식(Zuchongzhi)과 광자 방식(Jiuzhang) 두 가지 기술을 동시에 개발하는 듀얼 전략을 취하고 있습니다. Jiuzhang은 2020년 광자 양자 컴퓨터로 양자 우월성을 주장하며, 고전 슈퍼컴퓨터로 6억년 걸릴 문제를 초 단위로 해결했다고 발표했습니다

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7. 맺음말 - “검증 가능성”이 만든 질적 전환

전망과 과제

단기 전망 (5년 이내): 구글 CEO 순다르 피차이와 Quantum AI 책임자 하르트무트 네벤은 5년 이내에 실용적 응용이 가능할 것으로 전망합니다. 신약 개발과 재료 과학 분야에서 첫 번째 실용 사례가 나올 가능성이 높습니다.​ 양자 센서 기술도 빠르게 성숙하고 있으며, 국방, 반도체, 내비게이션 분야에서 실용화가 진행 중입니다.​

해결해야 할 과제

오류율: 현재 Willow의 논리 큐비트는 사이클당 1/1,000의 오류율을 가지지만, 고전 컴퓨터의 10^−18 수준에는 크게 못 미칩니다. 실용적 응용을 위해서는 수백만 개의 물리 큐비트가 필요할 수 있습니다.​

확장성: 큐비트 수를 늘리면서 오류율을 유지하는 것은 여전히 도전 과제입니다. 제어 회로, 극저온 냉각 시스템 등 주변 인프라도 함께 확장되어야 합니다.​

상용화 경로: 양자 컴퓨팅이 경제적으로 의미 있는 가치를 창출하려면, 계산 가치가 비용을 초과해야 합니다. 일부 연구자들은 5년 내 실용화 전망이 낙관적이라고 지적합니다.​

암호화 위협: RSA 암호 해독은 최소 10년 이상 걸릴 것으로 예상되지만, 포스트양자암호 표준 개발이 시급합니다.​

 

결론

구글은 2019년 양자 우월성 최초 달성 이후, 2024년 Willow 칩으로 오류 정정의 임계점을 돌파하고, 2025년 Quantum Echoes 알고리즘으로 검증 가능한 양자 우위를 입증하며 양자 컴퓨팅 분야를 선도하고 있습니다.​

 

2029년 실용 양자 컴퓨터라는 목표를 향해 착실히 진행 중이며, AlphaFold와 양자 컴퓨팅의 시너지를 통해 신약 개발 분야에서 혁신을 일으킬 잠재력을 보여주고 있습니다.​

 

IBM의 클라우드 접근성, Microsoft의 위상 큐비트, 중국의 국가 주도 투자 등 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있으며, 이는 양자 기술의 빠른 발전을 가속화하고 있습니다. 향후 5-10년이 양자 컴퓨팅의 실용화를 결정짓는 중요한 시기가 될 것입니다.​

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출처

• Google Research — Quantum Echoes(검증가능한 양자 이점): 공식 블로그 & 기술 노트(논문/요약)
• Google — Willow 하드웨어 성능(105q, fidelities)
• QEC 임계치 하: Nature/블로그/스펙 시트(거리7: 0.143%/사이클, Λ=2.14±0.02, 실시간 디코딩 등)
• NMR 교차검증·응용 시사점(IEEE Spectrum, SiliconANGLE 등)
• 경쟁사 동향: IBM Condor(1,121q), MS Majorana 1(위상 큐비트), USTC Zuchongzhi-3.0(105q)

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/716

양자 컴퓨팅의 원리는 무엇인가?

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=mEBCQidaNTQ