중국과기대(USTC) 연구팀이 세계 최고 수준의 광자 기반 양자컴퓨터 원형기 '구장(九章, 영어명 Jiuzhang) 4호'를 개발했다고 한중과학기술협력센터가 25일자 정책동향서 밝혔다.

중국 베이징 소재 한중과학기술협력센터(센터장 김준연)는 한국과 중국 간 과학기술 협력을 지원하기 위해 과기정통부가 설립한 기관이다.

센터에 따르면 중국과학기술대학 연구팀은 2020년 ‘구장 1호’로 광양자 컴퓨팅의 가능성을 입증한 이후 구장 2호·3호·4호로 이어지는 세대별 고도화를 통해 광자 수와 계산 규모를 지속적으로 확대해 왔다. 구장의 세대별 특징을 보면 ▲1호는 가능성 입증 ▲2호는 프로그래밍 기능 강화 ▲3호는 광자 탐지 및 응용 가능성 탐색 ▲4호는 대규모 확장과 광자 손실 제어에 중점을 뒀다.

이번 ‘구장 4호’는 1024개의 양자 압축상태에 8176개의 모드, 3050개의 광자를 갖추며 세계 최고 수준의 '양자컴퓨팅 우위성(Quantum Supremacy)'을 달성했다고 센터는 전했다. 양자 압축상태는 양자계의 불확실성(예: 위치·운동량, 광자 수·위상)을 한 방향으로 줄이고, 다른 방향으로는 늘려서 측정 정밀도를 높이는 양자 상태를 한다.

모드 수는 광자가 계산 네트워크 안에서 이동하고 간섭하는 경로 또는 차원을 의미한다. 8176개 모드는 수천 개 경로에서 복잡한 간섭 계산이 가능하다는 뜻이다.

'구장 4호'의 광자 수 3050개는 기존 ‘구장 3호’의 255개보다 10배 이상 확대된 수치로, 광양자 컴퓨팅 규모가 크게 확대됐다. 특히 '구장 4호'의 컴퓨팅 속도는 가우시안 보손 샘플링(GBS, Gaussian boson sampling, 특수한 레이저빛을 복잡한 광학 회로에 통과시킨 뒤 각 출구에서 나오는 광자 분포를 계산) 문제와 같은 특정 문제를 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터보다 10의 54제곱 배 빠른 속도 달성했다고 센터는 밝혔다.

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센터는 "‘구장 4호’의 가장 큰 기술적 성과는 광양자 컴퓨팅의 병목인 ‘광자 손실’을 줄이기 위한 시공간 혼합 인코딩 구조를 신규 도입했다"면서 "‘구장 4호’는 시간과 공간 두 차원에서 광자가 동시에 간섭하도록 설계한 시공간 혼합 인코딩 구조를 적용, 네트워크 연결성을 높이고 광자 손실을 완화했다"고 진단했다.

현재 양자컴퓨팅 경쟁은 미국과 중국이 상위 선도권을 형성하고, 캐나다·영국·독일·프랑스·네덜란드·일본·호주 등이 추격하는 구조다. 미국과 중국을 비교하면, 미국은 초전도·이온트랩·반도체 양자점 등 다양한 기술노선과 상용 플랫폼을 갖춘 반면 중국은 광양자 분야에서 압도적 1위를 차지하고 있다고 센터는 전했다.