양자 우위, 양자 우월성, 양자 유틸리티: 용어의 의미

양자 컴퓨팅 보도에는 세 가지 표현이 반복해서 등장합니다. 양자 우월성, 양자 우위, 그리고 양자 유틸리티입니다. 이들은 때로는 동의어로, 때로는 진보의 단계로 취급됩니다. 하지만 어느 쪽도 아닙니다. 이 용어들은 서로 다른 논문과 강연에서 나왔고, 서로 다른 비교를 하며, 모두 신중하게도, 부주의하게도 쓰일 수 있습니다.

이 가이드는 이 용어들이 어디서 왔는지, 책임 있는 주장이 무엇을 명시해야 하는지, 그리고 큐비트와 오류 정정 같은 더 기본적인 개념과 나란히 어떻게 읽어야 하는지 설명합니다. 양자 컴퓨팅 발표를 읽는 법에 관한 체크리스트와 짝을 이루는 글입니다.

양자 우월성

John Preskill은 2012년 보고 강연에서 “quantum supremacy(양자 우월성)”라는 용어를 도입했으며, 이 강연은 나중에 “Quantum computing and the entanglement frontier”라는 제목으로 공개되었습니다. 그는 이 용어를 잘 제어된 양자계가 일반 디지털 컴퓨터의 능력을 넘어서는 작업을 수행할 수 있게 되는, 기대되는 순간을 가리키는 데 썼습니다. 그 강연에서 설득력 있는 우월성 시연은 유용한 산업 문제를 풀 필요가 없었습니다. 고전적으로 시뮬레이션하기 어렵고 가까운 미래의 하드웨어에서 실행 가능하다는 이유로 고른 인위적인 작업이어도 괜찮았습니다.

그 의미, 즉 양자 장치가 그럴듯한 고전 시뮬레이션의 한계에 다가가거나 이를 넘어서는 무언가를 한다는 것(반드시 누군가 돈을 내고 계산하려는 것일 필요는 없음)이 연구 문헌에 정착한 의미입니다.

가장 잘 알려진 주장은 2019년 10월에 나왔습니다. Google과 공동 연구진이 Nature에 “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”를 발표한 것입니다. 이들은 53큐비트 Sycamore 프로세서에서 수행한 무작위 회로 샘플링 실험을 보고하면서, 자신들의 양자 장치로 약 200초 걸린 작업이 최첨단 슈퍼컴퓨터로는 약 1만 년 걸릴 것이라고 추정했습니다. 이 숫자들은 저자들의 추정이지 자연의 보편 상수가 아닙니다. 고전 시뮬레이션을 어떻게 모델링하느냐에 따라 달라집니다.

IBM 연구진은 “On ‘quantum supremacy’”라는 제목의 블로그 글을 포함해 공개적으로 반박하며, 더 신중한 고전 시뮬레이션, 특히 보조 저장 장치를 더 잘 활용하는 방식이라면 같은 샘플링 작업을 수천 년이 아니라 며칠 만에 끝낼 수 있다고 주장했습니다. 논쟁의 핵심은 Sycamore가 어려운 회로를 실행했는지 여부가 아니었습니다. 고전 알고리즘과 기계 모델을 더 너그럽게 설정했을 때 “고전 컴퓨터의 범위를 넘어선다”는 말이 무엇을 뜻하는가였습니다.

이 논쟁이 이후 모든 우월성 유형의 주장을 읽는 틀이 됩니다. 작업을 명시하고, 양자 장치를 명시하고, 고전 기준선을 명시하고, 고전 알고리즘이 개선되면서 기준선이 움직일 것이라고 예상하는 것입니다.

양자 우위

“양자 우위”는 서로 겹치는 두 가지 의미로 쓰이며, 그래서 혼란을 일으킵니다.

첫 번째 용법에서는 우월성의 완곡한 동의어입니다. 잘 정의된 작업에서 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가한다는 뜻입니다. 영어의 “supremacy”에는 물리학과 무관한 정치적 함의가 있기 때문에 “advantage”를 선호하는 연구자도 있습니다. 논문이 그런 이유로 supremacy라는 단어를 피한다고 밝힐 때도, 대개는 여전히 계산상의 비교를 말하는 것이지 어떤 제품이 고전 컴퓨터보다 전반적으로 낫다는 뜻은 아닙니다.

다른 용법에서 “advantage”는 비교를 위해 고안된 샘플링 작업이 아니라, 사람들이 이미 관심을 두는 문제, 예를 들어 화학, 소재, 최적화, 암호 분야에서의 속도 향상(또는 비용이나 에너지 개선)에만 쓰입니다. 이 더 엄격한 용법에 따르면 무작위 회로 샘플링 실험은 우위가 아니면서 우월성일 수 있습니다.

무엇을 무엇과 비교했는지 밝히지 않으면 발표가 어느 의미를 말하는지 알 수 없습니다. “양자 우위 달성”이라고만 쓴 헤드라인은 미완성입니다.

양자 유틸리티

“유틸리티”라는 용어는 IBM과 학계 파트너의 Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala 등이 2023년 Nature에 발표한 논문 “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance” 이후 널리 쓰이게 되었습니다. 이 실험은 노이즈가 있는 127큐비트 초전도 프로세서에서 회로를 실행했으며, 그중에는 2큐비트 게이트가 최대 60층인 회로도 있었습니다(이들이 강조한 가장 큰 사례에서는 CNOT 게이트 2,880개). 저자들은 무차별 대입 고전 계산을 넘어서는 규모에서 정확한 기댓값을 측정할 수 있었으며, 강하게 얽힌 영역에서 일부 텐서 네트워크 기법을 포함한 주요 근사 고전 방법이 무너지는 지점에서도 자신들의 결과가 신뢰할 만했다고 주장했습니다.

논문 자체에서 두 가지 주의점이 바로 도출됩니다. 첫째, 저자들은 이를 내결함성 이전 시대의 유틸리티의 증거, 즉 가까운 미래의 방법을 탐구하기 위한 토대로 제시하며, 상용 응용이 이제 모든 고전 솔버를 이긴다는 주장으로 제시하지 않습니다. 둘째, 이들은 특정 고전 기법과 비교합니다(무차별 대입 시뮬레이션이 여전히 적용되는 곳에서는 그것과, 그렇지 않은 곳에서는 이름을 밝힌 근사 방법과). 이후의 고전 알고리즘이 그 격차를 좁히거나 없앨 수 있습니다. 고전 시뮬레이션 연구가 2019년 우월성 비교의 일부에 답했던 것과 마찬가지입니다.

느슨한 마케팅 언어에서는 “유틸리티”가 “고객이 우리 양자 시스템에서 가치를 얻고 있다”는 뜻으로까지 확대되기도 합니다. 이는 합리적인 사업상 진술일 수 있습니다. 하지만 2023년 논문과 같은 진술은 아닙니다.

이 용어들과 NISQ, 내결함성의 관계

Preskill의 이후 NISQ 논고(2018)는 수십에서 수백 개의 노이즈 있는 큐비트를 갖춰 시뮬레이션하기 어려운 실험을 할 만큼 흥미롭지만, 아직 완전한 내결함성 오류 정정으로 보호되지 않는 장치의 시대를 묘사했습니다. 우월성 유형의 샘플링 실험은 자연스럽게 그 시대에 속합니다. 노이즈 있는 장치가 맞춤형 작업에서 고전 시뮬레이션을 앞지를 수 있는지를 묻기 때문입니다.

교과서에서 다루는 유용한 대규모 알고리즘은 일반적으로 논리 큐비트와 논리 게이트가 깊은 회로를 실행할 수 있을 만큼 신뢰할 수 있는 내결함성 기계를 전제로 합니다. 이는 우월성, 우위, 유틸리티와는 다른 이정표입니다. 어떤 그룹은 우위를 주장하지 않고도 오류 정정의 진전을 보고할 수 있고, 논리 큐비트 없이도 우월성 유형의 실험을 보고할 수 있습니다.

이 층위들을 뒤섞는 것, 즉 “우리는 우월성을 시연했다, 그러므로 유용한 알고리즘이 도래했다”는 식의 사고는 대중적인 글에서 가장 흔한 비약입니다. 실험 논문 자체는 좀처럼 이런 비약을 하지 않습니다.

세 가지 주장 모두에 쓸 수 있는 독해 테스트

발표가 어떤 용어를 고르든 같은 질문이 적용됩니다.

• 작업. 어떤 입력이 주어지고 어떤 출력이 나오며, 그 출력은 왜 고전적으로 어려운가?
• 양자 장치. 큐비트는 몇 개이고, 어떤 방식이며, 회로 깊이는 얼마이고, 어떤 오류 완화나 오류 정정을 사용했는가?
• 고전 기준선. 어떤 알고리즘을, 어떤 기계에서, 얼마의 시간과 메모리로 실행했으며, 구현은 누가 골랐는가? 양자 팀인가, 독립적인 고전 그룹인가?
• 검증. 문제가 너무 커서 정확히 시뮬레이션할 수 없을 때, 양자 출력이 맞다는 것을 어떻게 아는가?
• 주장의 안정성. 이후의 고전 방법이 이미 격차를 줄였는가? 원래 실험에 오류가 없더라도 우월성과 우위 주장은 줄어들 수 있습니다.
• 유용성. 그 작업은 실험 바깥의 사용자가 풀고 싶어 했던 것인가, 아니면 비교를 위해 만든 벤치마크인가?

이 답이 논문이나 기술 블로그 글에 있다면 헤드라인의 단어는 덜 중요합니다. 없다면 헤드라인의 단어가 그것을 대신할 수 없습니다.

DesignQuantum^™이 이 용어를 쓰는 방식

당사 뉴스 기사에서는 발표한 그룹이 실제로 한 비교를 그들 자신의 말로 출처를 밝혀 그대로 전하고, 그다음 논문이나 글에 링크하는 것을 선호합니다. 당사 자신의 목소리로 “우월성”, “우위”, “유틸리티”를 쓰는 것은 어떤 비교를 뜻하는지 분명할 때뿐입니다. 보도자료가 비교 없이 이런 단어를 쓰면, 이를 당사가 독립적으로 평가한 결과가 아니라 발언자의 주장으로 다룹니다.

용어는 계속 바뀔 것입니다. 바뀌지 말아야 할 것은 계산에 관한 주장이라면 그 작업과 기준선을 밝혀야 한다는 요구입니다.