quantum wave

• 저자 1) Theodore J. Yoder, Eddie Schoute, Patrick Rall, Emily Pritchett, Jay M. Gambetta, Andrew W. Cross, Malcolm Carroll, Michael E. Beverland (IBM Quantum). 2) Tristan Müller, Thomas Alexander, Michael
• 저널 arXiv preprint
• 게재일 2025-06-02
• DOI 10.48550/arXiv.2506.03094 10.48550/arXiv.2506.01779

2025년 6월, IBM은 대규모 오류내성 양자컴퓨팅에 대한 로드맵(링크 : https://www.ibm.com/quantum/technology#roadmap , 한글기사 링크 : https://kr.newsroom.ibm.com/announcements?item=122812)을 발표하였다. 로드맵의 최종적인 목표는 2033년까지 2000개의 논리 큐비트를 10억개의 양자연산이 가능하도록 하는 수준의 양자 프로세서인 블루제이(Blue Jay)를 뉴욕주의 포킵시(Poughkeepsie, New York)에 위치한 IBM 양자 데이터 센터에 만드는 것으로, IBM이 대규모 오류내성 양자컴퓨팅을 위한 여정의 출발선에 섰다고 할 수 있겠다. IBM에서 구현하고자 하는 초천도 플랫폼에서의 물리적 큐비트(논리 큐비트가 아니다!)의 숫자가 1000근처에 머무르고 있다는 점으로 미루어 볼 때, 상당한 규모의 자본 투입이 가능한 세계적 기업의 입장에서도 충분히 도전적인 과제라는 것은 분명해 보인다.

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IBM 대규모 오류내성 양자 컴퓨터 개요
(출처: https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc)

그렇기에 IBM에서는 이렇게 도전적인 목표를 이루기 위한 로드맵을 두 편의 연구 논문(arXiv.2506.03094, arXiv.2506.01779)을 함께 발표하며 구체적으로 제시하였는데, 보다 자세한 내용은 IBM의 블로그(링크: https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc)에서 확인할 수 있다. 본 양자 큐레이션 글에서는 로드맵에 드러난 핵심 키워드를 바탕으로 IBM에서 세우고 있는 대규모 양자 컴퓨터 개발 계획에 대해 살펴보도록 하겠다.

양자오류정정이 가능한 논리 큐비트 생성과 오류내성 양자 컴퓨팅

오류내성 양자 컴퓨팅의 핵심을 관통하는 키워드는 양자오류정정이다. 일반적으로 양자계는 외부의 잡음에 취약하기 때문에 양자 정보의 저장 및 연산 과정에 있어 높은 오류율이 발생하며, 이는 많은 수의 양자 연산이 필요한 실용적 양자 알고리즘의 구현에 있어 가장 큰 걸림돌이 된다. 이를 해결하기위해, 양자 연산에 사용되는 양자정보(논리적 큐비트)를 여러 개의 물리적 큐비트에 나누어 저장하고, 모니터링하여 오류를 식별 및 수정하는 방식의 양자오류정정이 필수적이다. 이때, 논리적 큐비트를 어떠한 식으로 물리적 큐비트에 저장할 것인지가 핵심이 되는데, 왜냐하면 어떠한 방식으로 오류정정 코드를 구성하는지에 따라서 저장할 수 있는 논리적 큐비트의 숫자가 크게 달라질 수 있기 때문이다.
IBM과 구글 등으로 대표되는 초전도 기반 양자 컴퓨팅에서는 주로 표면코드(Surface code)를 사용하여 오류정정을 연구해 왔다. 양자 큐레이션의 이전 두 글 (오창훈 교수님: http://quantumwave.co.kr/curation/view/id/3, 이석형 교수님: http://quantumwave.co.kr/curation/view/id/5)에서 이미 표면코드에 대한 구글 연구팀의 결과가 훌륭하게 소개가 되어 있으니, 함께 읽어봐도 좋겠다.
이러한 표면코드는 qLDPC코드의 한 종류이며, qLDPC코드는 (quantum low-density parity check code, 저밀도 패리티 검사 코드)의 약자로 그 이름에서 알 수 있듯이, 오류를 모니터하기 위해서 측정해야 하는 물리적 큐비트의 숫자가 적은 코드를 의미한다. 실제로 4개의 인접한 물리적 큐비트에 대한 모니터링만으로 양자오류정정이 가능하다는 장점으로 인해 초전도 플랫폼을 비롯하여 다양한 플랫폼에서 가장 활발하게 연구되었음에도 불구하고, 표면코드의 가장 큰 약점은 큐비트 숫자가 늘어나는 경우 그 확장성이 제한된다는 점이다. 역설적이게도, 오류정정이 인접한 물리적 큐비트에 대한 모니터링만으로 가능하다는 장점이 코드의 구조를 단순화시켜 물리적 큐비트 숫자가 증가함에 따라 저장할 수 있는 논리 큐비트의 숫자를 제한하게 되는 것이다.
그렇다면, 자연스럽게 따라오는 질문은 표면코드의 한계를 극복하기 위해서 어떠한 qLDPC코드를 선택할 것인가에 있다.

표면코드의 연결성 확장을 통한 새로운 오류정정 코드 개발

이에 대한 해답을 IBM의 로드맵에서는 기존의 표면코드에 먼 거리의 물리적 큐비트 간의 상호작용을 추가하여, 새로운 qLDPC코드를 만드는 것에서 찾고 있다. 이러한 추가적인 물리적 큐비트들간의 연결성은 기존 표면코드의 기본적 골격을 유지하여 오류 식별을 위해 모니터해야하는 큐비트의 수는 비슷한 수준으로 유지하면서도 같은 물리적 큐비트에 저장가능한 논리 큐비트의 숫자를 비약적으로 향상시킬 수 있게 해 준다. 그러나, 큐비트간의 장거리 상호작용은 구현이 매우 까다롭기 때문에, 최대한 적은 수의 장거리 상호작용을 통해 여전히 많은 수의 논리 큐비트를 저장할 수 있는 오류정정 코드를 찾는 것이 중요한 문제이며, IBM 연구팀에서는 이를 위해 2024년에 bivariate bicycle(BB) 코드를 개발하여 Nature지에 발표한 바 있다 [Nature volume 627, pages778-782 (2024)].
IBM의 오류내성 양자 컴퓨팅의 기본 단위는 위에서 설명한 BB 코드를 바탕으로 한 Gross 코드가 되며, 보다 구체적으로는 144개의 물리적 큐비트를 이용하여 12개의 논리 큐비트를 저장하는 것을 시작으로 한다. 참고로 Gross는 12다스, 즉 144 를 나타내는 단위이다. 여기에 오류를 식별하기 위해 필요한 측정 큐비트가 추가로 144개 필요하기 때문에 총 288개의 물리적 큐비트가 연산을 위한 하나의 작은 단위로서 작동하게 된다. 이를 통해 기존의 표면코드에서 필요한 것보다 10배가량 더 적은 물리적 큐비트를 가지고도, 논리적 큐비트의 오류율에 있어서는 비슷한 성능을 보일 수 있을 것으로 IBM은 전망하였다.

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Gross Code. C-coupler를 통해 물리적 큐비트 간의 추가적인 연결성을 확보한다.
(출처: https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc)

IBM로드맵에서는 2025년에 IBM 룬(Loon)을 통해 장거리 연결성이 추가를 통해 논리적 큐비트의 효율적인 저장이 가능한 양자 프로세서를 새롭게 선보일 것을 목표로 제시하였으며, 이를 보다 발전시킨 IBM 쿠카부라(Kookaburra)를 통해 2026년에는 논리적 양자 연산 및 오류정정이 실제로 가능함을 증명할 것으로 예상된다.

모듈형 양자 프로세서

그렇지만, 앞서 살펴본 Gross코드로 구현된 12개의 논리 큐비트는 여전히 대규모 양자 컴퓨팅이라 부르기에는 적은 수이다. 이에 대한 해결책으로 IBM은 작은 단위인 12큐비트를 연결하며 더 큰 규모의 논리 큐비트를 만드는, 모듈형 양자프로세서를 로드맵의 다음 과정으로 제시하고 있다. IBM은 이러한 양자 프로세서 간의 연결을 위한 어댑터를 l-coupler로 명명하고, 선행 기술을 IBM 플라밍고(Flamingo)에서 작년에 구현한 바 있다. 이러한 논리 큐비트 모듈간의 연결을 통해 확장성을 꾀하는 동시에, 범용 양자 연산을 위해 필요한 마법 상태(magic state, 이석형 교수의 이전 큐레이션 글 http://quantumwave.co.kr/curation/view/id/5 참조)를 자연스럽게 증류하여 원하는 때에 쓸 수 있도록 만드는 것이 목표이다.

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IBM의 모듈형 양자 프로세서 로드맵
출처: https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc

보다 구체적으로 IBM은 2027년까지 IBM 코카투(Cockatoo)를 통해 두 개의 쿠카부라 모듈을 연결하여 두 모듈 간의 양자 얽힘을 검증하는 것을 로드맵의 다음 목표로 제시한다. 이후 이러한 모듈간 연결성을 더욱 확장하여 2028년에는 200개의 논리 큐비트를 가지는 IBM스탈링 칩을 발표할 계획이며, 궁극적으로는 모듈로 연결된 2000개의 논리 큐비트를 IBM 블루제이(Blue Jay)를 2033년까지 만들어 내는 것이 로드맵의 최종 목표이다.

빠르고 효율적인 디코딩 알고리즘

마지막으로 주목해야 할 키워드는 양자 오류정정의 새로운 디코딩 방식에 있다. 오류정정 코드의 물리적 큐비트를 모니터링하여 어느 위치에서 오류가 발생하였는지 고전 알고리즘을 통해 식별하는 과정을 일반적으로 디코딩 과정이라고 부르는데, 디코딩에 걸리는 시간이 큐비트가 양자 정보를 저장할 수 있는 시간보다 길어진다면, 당연하게도 오류정정은 더이상 효과적인 방식이지 않게 된다. 문제는 대규모 오류내성 양자 컴퓨팅에서 물리적 큐비트의 숫자가 늘어남에 따라 식별해야 할 오류의 숫자 또한 기하급수적으로 증가하여 디코딩이 어려워진다는 점인데, 고전 컴퓨터의 연산 및 정보 처리 능력이 양자 컴퓨터의 성능을 제한하는 상황이라 할 수 있겠다.
IBM은 이러한 기술적 장벽을 넘기 위해서, 고전 컴퓨터의 연산 능력을 최대한으로 활용하여 오류의 발생여부를 확률적으로 추론하는 믿음 전파(Belief Propagation)방식을 기반으로 하여 Gross 코드에 특화된 새로운 디코딩 알고리즘을 제시한다(https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.01779). 이러한 믿음 전파를 활용한 디코딩 방식은 Union Finding등을 비롯한 확률기반이 아닌 결정론적 디코딩 방식과 비교하여 IBM에서 목표로 하는 복잡한 연결성을 가지는 대규모 큐비트에 대해 더 좋은 효율을 보이며, 오류가 불균일하게 일어나는 실제 하드웨어의 노이즈 모델의 특성을 반영하기가 더 쉽다는 강점을 지닌다. 더 나아가 IBM은 이러한 디코딩 프로토콜을 컴퓨터와의 정보 전달 없이 오류식별 과정을 FPGAs(Field-Programmable Gate Arrays) 혹은 통합된 칩 (Application Specific Integrated Circuits, ASICs)에서 동작하도록 만드는 것을 목표로 삼고 있는데, 이는 큐비트의 모니터링 결과를 고전 컴퓨터에 전달하고 식별된 오류를 다시 양자 프로세서로 보내는 과정에서 오는 시간차를 없애 디코딩을 실시간에 가깝게 만든다는 커다란 장점이 있다. IBM에서는 2028년에 공개예정인 IBM 스탈링(Starling)에서 이 모든 과정을 통합하여 2029년에는 200개의 양자연산이 가능한 논리 큐비트를 구현할 것으로 계획하였다.

[나가는 글] IBM은 로드맵에서 2033년까지 대규모 오류내성 양자 컴퓨터의 구현이라는 도전적인 목표를 내세우며, 양자 컴퓨팅의 실용화를 향해 나아가고 있다. 이를 위한 첫 발걸음이라고 할 수 있는 IBM 룬의 발표가 2025년으로 예정되어 있어, 올해가 어느덧 2달 남짓 남은 시점에 그 기대감이 크다고 할 수 있겠다.
IBM이 앞으로의 방향성을 오류내성 양자 컴퓨팅으로 분명하게 제시하였음에도 불구하고, 오류정정 이전의 오류완화기술(error mitigation)방식의 병행 및 소프트웨어 개발 툴킷인 Qiskit의 업그레이드 계획을 밝힌 것 또한 주목할만한 내용이다. 2025년 발표 예정인 120큐비트 규모의 오류정정 없는 IBM나이트호크(Nighthawk)를 이용한 양자우월성을 실증하고, 이를 기반으로 하여 앞서 설명한 칩간 연결을 바탕으로 한 대규모의 큐비트에서 오류 완화기술을 시험할 것으로 예상된다. 이는 대규모의 오류내성 양자컴퓨터를 궁극적으로 구현하기 위해서는 많은 수의 큐비트의 정밀 제어 및 오류 완화 기술, 그리고 이를 제어하는 소프트웨어 알고리즘의 고도화 또한 매우 중요한 요소로 작용할 수 있다는 점을 시사한다.
IBM이 이처럼 도전적인 수준의 로드맵을 자신 있게 제시할 수 있었던 것은 기술 혁신을 통한 하드웨어의 발전, 오류 정정 코드의 고도화, 그리고 이를 정교하게 제어하기 위한 소프트웨어 및 디코딩 알고리즘의 진보 등 다양한 분야의 기술이 유기적으로 결합된 결과라고 생각된다. 각 단계의 목표를 달성하기까지 여전히 높은 기술적 장벽이 남아 있지만, IBM의 로드맵이 계획대로 실현되어 향후 10년 내에 오류 내성 양자컴퓨터를 직접 만나볼 수 있기를 기대한다.

연구 그룹 소개 및 국내 연구 동향

IBM은 구글, 리게티 등과 함께 초전도 양자 컴퓨팅을 대표하는 회사이다. IBM의 가장 최신 프로세서인 IBM 콘도르(Condor)는 1000개가 넘는 큐비트를 갖추고 있으며, 양자 프로세싱 칩을 대중에게 공개하여 클라우드를 통해 학생/연구자/기업에서 양자 컴퓨터를 직접 사용해 볼 수 있게 하는 서비스를 제공하고 있기도 하다. IBM 연구팀은 하드웨어뿐만 아니라, 양자 알고리즘, 회로 최적화 및 오류완화/정정 기술 개발 등 소프트웨어를 아우르는 양자 컴퓨팅 분야에서 다방면으로 연구를 진행 중이다. 특히IBM에서 개발하 양자 컴퓨팅을 위한 소프트웨어 개발 툴킷인 Qiskit은, IBM의 양자 프로세서뿐 아니라 다른 하드웨어 플랫폼에서도 널리 활용되고 있다.
IBM이 지향하는 대규모 오류 내성 양자 프로세서의 구현은 단순한 하드웨어나 공정 기술의 발전만으로 달성될 수 있는 목표가 아니라, 물리학, 공학, 컴퓨터과학 등 다양한 분야 간의 긴밀한 협력을 통해서만 가능하다고 생각한다. 국내에서도 양자정보 분야의 실험 및 이론 연구에서 탁월한 성과가 꾸준히 축적되고 있는 만큼, 이들 간의 공동 연구를 통해 큰 시너지를 발휘하고 국내 양자 기술이 한 단계 도약하길 기대한다.