Jiuzhang 4.0: 3,050개 광자로 기록 세운 중국의 광자 기반 양자컴퓨터

이 장치는 Gaussian boson sampling(GBS) 이라는 특수한 확률적 계산 문제를 해결하도록 설계됐다. 이는 많은 광자가 복잡한 간섭계를 통과할 때 나타나는 결과 분포를 샘플링하는 문제로, 광자 수가 늘어날수록 고전 컴퓨터로 계산하기 매우 어려워진다.

Jiuzhang 4.0 실험에서는 다음과 같은 구성이 사용됐다.

• 1,024개의 고효율 squeezed‑state 광원을 입력
• 8,176개의 광학 모드를 가진 프로그래머블 광자 회로
• 샘플링 과정에서 최대 3,050개 광자 검출

이 구조 덕분에 장치는 매우 복잡한 광학 간섭 패턴을 생성하고, 이를 통해 boson sampling 문제의 확률 분포를 생성할 수 있다.

광자 수 기록 경신

Jiuzhang 4.0은 Gaussian boson sampling 실험에서 사용된 광자 수를 크게 늘리며 광학 양자 정보 기술의 새로운 기록을 세운 것으로 보고됐다.

연구 결과에 따르면 특정 모델 가정하에서 이 장치는 해당 샘플링 문제를 현존하는 최고 성능의 고전 슈퍼컴퓨터보다 10^54배 빠르게 해결할 수 있다고 분석됐다.

물론 이런 비교는 어떤 고전 알고리즘을 사용해 시뮬레이션하느냐에 따라 달라질 수 있다. 그럼에도 연구진은 이번 결과를 강건한 양자 계산 우위의 증거로 제시한다. 즉, 고전 알고리즘이 계속 개선되더라도 동일한 작업을 재현하기 매우 어려운 계산 영역에 도달했다는 의미다.

Jiuzhang 3.0에서 얼마나 발전했나

Jiuzhang 4.0은 같은 연구팀이 개발해 온 Jiuzhang 광자 양자컴퓨터 시리즈의 최신 모델이다.

이전 버전인 Jiuzhang 3.0은 boson sampling 실험에서 255개 광자 검출을 기록했다.

새 모델은 여러 측면에서 규모를 크게 확장했다.

광자 규모

• Jiuzhang 3.0: 255개 광자
• Jiuzhang 4.0: 최대 3,050개 광자 (10배 이상 증가)

시스템 구조

• 1,024개의 squeezed‑state 광원 사용
• 8,176모드 프로그래머블 광자 회로로 간섭 구조 대폭 확장

프로그래머블 설계

• 단일 고정 실험이 아니라 다양한 광학 변환을 설정할 수 있는 플랫폼으로 설계

이러한 확장은 더 큰 양자 상태와 훨씬 복잡한 샘플링 분포를 생성할 수 있게 만든 핵심 요소다.

Gaussian boson sampling이 중요한 이유

Gaussian boson sampling은 범용 계산 문제는 아니지만, 양자컴퓨터 성능을 시험하는 대표적인 벤치마크 문제로 널리 사용된다.

이 문제가 어려운 이유는 광자 검출 패턴의 확률을 계산할 때 필요한 수학적 연산 때문이다. 특히 loop hafnian 같은 함수 계산이 필요하며, 광자 수가 늘어나면 계산 복잡도가 지수적으로 증가한다.

따라서 광자 수와 모드 수가 커질수록 고전 컴퓨터로 정확한 시뮬레이션을 수행하는 것이 급격히 어려워진다. 이런 이유로 Jiuzhang 4.0 같은 실험은 양자 시스템이 고전 계산의 한계를 넘어설 수 있는 영역에 도달했음을 보여주는 실험적 증거로 여겨진다.

이번 성과가 의미하는 것

Jiuzhang 4.0은 수천 개 광자를 다루는 대규모 광자 양자 하드웨어가 실제로 구현될 수 있음을 보여줬다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

특히 다음과 같은 측면에서 의미가 크다.

• 더 강력한 양자 우위 실험 증거
• 광자 기반 양자컴퓨팅 아키텍처의 확장 가능성 확인
• 미래의 대규모 광자 양자 시스템 개발을 위한 핵심 기술 축적

광자 시스템은 상온에서 동작하고 광섬유 등 기존 광학 기술과 결합하기 쉽다는 장점이 있어 장거리 양자 네트워크나 특정 계산 문제에 매력적인 접근 방식으로 평가된다.

다만 Jiuzhang 4.0은 여전히 범용 양자컴퓨터가 아니라 특정 샘플링 문제를 수행하는 실험 장치다. 즉, 임의의 알고리즘을 실행하는 결함 허용(fault‑tolerant) 범용 양자컴퓨터 단계에는 아직 도달하지 않았다.

양자컴퓨팅 경쟁 속에서의 위치

현재 양자컴퓨팅 분야에서는 여러 하드웨어 방식이 동시에 경쟁하고 있다.

• 초전도 큐비트
• 이온 트랩
• 중성 원자
• 광자 기반 시스템

각 접근법은 서로 다른 장점과 기술적 난제를 가지고 있으며, 어느 방식이 최종적으로 확장 가능한 범용 양자컴퓨터로 이어질지는 아직 확정되지 않았다.

Jiuzhang 4.0의 3,050개 광자 실험은 지금까지 수행된 가장 큰 광자 양자 실험 중 하나로, 광자 기반 양자컴퓨팅이 빠르게 발전하고 있음을 보여준다. 향후 이러한 시스템이 결함 허용 수준의 범용 양자컴퓨터로 발전할 수 있을지는 여전히 중요한 연구 과제로 남아 있다.