QUOPS: 양자컴퓨터가 실제로 해낼 수 있는 계산을 측정하는 벤치마크

양자컴퓨터의 성능을 말할 때 흔히 먼저 나오는 수치는 큐비트 수다. 하지만 큐비트가 많다고 해서 곧바로 더 큰 계산을 정확하게 끝낼 수 있다는 뜻은 아니다. 회로를 실제 하드웨어에 맞게 배치하고, 떨어진 큐비트를 연결하기 위해 연산을 추가하고, 제어·측정·잡음의 영향을 견뎌야 하기 때문이다.

이 문제의식에서 나온 것이 QUOPS(Quantum Universal Operations Performance System)다. 샌디아 국립연구소가 주도하고 Quantinuum과 NVIDIA가 참여한 이 벤치마크는, 양자컴퓨터가 얼마나 큰 범용 계산을 신뢰성 있게 완료할 수 있는지, 그리고 그 계산을 얼마나 빠르게 수행하는지를 함께 측정한다. Quantinuum은 하드웨어 시연에, NVIDIA는 CUDA-Q 기반 오픈소스 구현에 기여했다. 13

QUOPS가 측정하는 것: 최대 회로 크기와 처리율

QUOPS는 특정 알고리즘 하나의 성능을 시험하는 방식이 아니다. 서로 다른 형태와 크기의 무작위화된 계산 보편 양자 회로를 여러 시스템에서 실행한다. 각 작업은 충실도·편극화 기준으로 성공 여부를 판정하며, 정해진 임계값을 넘은 회로만 성공한 실행으로 인정된다. 23

여기서 두 가지 지표가 나온다.

• Q(QUOPS 점수): 성공 기준을 신뢰성 있게 통과한 회로 가운데 가장 큰 회로의 규모다. 단위는 양자 연산 수로 표현된다.
• ω(QUOPS rate): 그와 같은 성공적 양자 연산을 수행하는 유효 속도, 즉 초당 QUOPS다.

둘을 나누어 보는 이유는 분명하다. 어떤 장비는 비교적 작은 작업을 아주 빠르게 처리할 수 있고, 다른 장비는 더 큰 회로를 실행할 수 있지만 속도는 낮을 수 있다. QUOPS는 이 두 능력을 하나의 숫자로 뭉뚱그리지 않고 함께 드러내려 한다. 12

하드웨어 사양이 아니라 ‘완성된 시스템’을 평가한다

실제 회로 실행 성능은 프로세서의 개별 게이트 품질만으로 정해지지 않는다. 회로 컴파일과 매핑, 큐비트 간 라우팅, 연결 토폴로지, 제어와 측정, 잡음이 모두 결과를 좌우한다.

QUOPS의 목적은 이런 요소를 각각 따로 떼어 본 사양표가 아니라, 전체 시스템에서 실제로 발생하는 비용을 점수에 반영하는 데 있다. 다시 말해 “큐비트가 몇 개인가”보다 “그 장비가 유의미한 범용 양자 계산을 어디까지 완주하는가”를 묻는 벤치마크다. 123

Willow·Boston·Helios가 보여준 성능의 교환관계

초기 비교에서는 회로 규모와 속도 사이의 뚜렷한 트레이드오프가 관찰됐다.

• 초전도 방식의 Google Willow와 IBM Boston은 더 높은 양자 연산 처리율을 보였다.
• 트랩트 이온 방식의 Quantinuum Helios는 성공 기준을 충족하는 더 큰 회로를 실행했다. 45

해석하면, 초전도 시스템은 빠른 게이트 동작이 처리율에 강점으로 작용한다. 반면 Helios는 높은 정확도와 사실상 모든 큐비트 쌍을 연결할 수 있는 연결성 덕분에 라우팅 부담을 줄일 수 있다. 그만큼 회로가 커질 때 오류가 누적되기 전까지 더 많은 연산을 수행할 여지가 생긴다는 설명이다. 25

보고된 물리 큐비트 기반 Q 점수는 Helios-1이 1,504, Willow가 216, IBM Boston이 204였다. 다만 이 수치만으로 한 시스템이 모든 상황에서 절대적으로 우수하다고 볼 수는 없다. QUOPS는 큰 회로를 얼마나 실행할 수 있는지와 그것을 얼마나 빠르게 처리하는지의 균형을 보여주는 지표이기 때문이다. 7

RSA-2048과 FeMoco까지는 얼마나 남았나

사전공개 논문은 RSA-2048 인수분해에 약 2.5 × 10⁸ QUOPS, 질소고정 효소의 핵심 보조인자인 FeMoco의 고정밀 에너지 계산에 약 3.4 × 10⁸ QUOPS가 필요할 것으로 추정했다. 이를 기준으로 현재 물리 큐비트 시스템은 이처럼 까다로운 응용에 필요한 규모보다 약 5자릿수, 즉 약 10만 배 낮은 수준이라는 계산이 나온다. 57

이는 특정 양자컴퓨터가 언제 RSA-2048을 인수분해하거나 FeMoco 문제를 풀 수 있을지를 예측한 일정표는 아니다. 알고리즘, 오류정정 코드, 하드웨어 아키텍처에 관한 가정에 따라 달라지는 자원 추정치라는 점을 구분해야 한다.

논리 큐비트와 오류 내성 시스템에도 적용

QUOPS는 Helios-1에서 최대 8개 논리 큐비트를 사용한 오류 내성 시연에도 적용됐다. 샌디아 측은 이를 오류 내성 프로세서를 대상으로 한 최초의 벤치마킹 사례로 설명한다. 12

이 결과가 중요한 이유는 QUOPS가 오늘날의 잡음 많은 물리 큐비트 장비에만 국한되지 않기 때문이다. 오류정정과 부호화를 사용하는 논리 큐비트 시스템에도 같은 틀을 적용해, 더 큰 오류 내성 양자컴퓨터로 가는 진전을 추적할 수 있다. 다만 이번 시연이 오류 내성 방식이 이미 모든 지표에서 물리 큐비트 방식보다 우위에 있다는 뜻은 아니다. 핵심은 두 단계의 시스템을 비교·추적할 공통 기준을 마련했다는 데 있다. 13

결과를 읽는 법

QUOPS는 양자컴퓨터 논의를 “큐비트가 몇 개인가”에서 “신뢰할 수 있는 범용 계산을 얼마나 수행하는가”로 옮기려는 시도다. 이번 실험은 연결성과 정확도가 실행 가능한 회로의 최대 규모를 키울 수 있고, 빠른 게이트는 처리율을 높일 수 있음을 보여준다.

다만 이 연구는 아직 동료 심사를 거치지 않은 arXiv 사전공개 논문이다. 벤치마크의 정의와 성공 임계값, 대규모 응용으로의 외삽은 독립적인 검증과 재현이 이뤄질 때까지 잠정적 결과로 받아들일 필요가 있다. 5