2020.12.22

기고 | 양자 컴퓨팅을 가로 막는 4가지 기술적 장애물

Anne Matsuura | InfoWorld
지금 수백만 개의 큐비트가 있다면 양자 컴퓨팅으로 무엇을 할 수 있을까? 답은 ‘시스템의 나머지 부분이 없다면 아무것도 할 수 없다’이다. 업계 전반적으로 양자 연구 분야에서 많은 진척이 이뤄지고 있다. 그러나 업계는 양자 시스템 개발이라는 마라톤의 결승점에 다가가기 위해서는 네 가지의 주요 과제를 극복해야 한다. 
 
ⓒ Getty Images Bank
 

양자의 위력 

양자 컴퓨팅의 위력을 이해하는 간단한 방법 중 하나는 컴퓨터 비트를 동전으로 생각하는 것이다. 동전은 앞면 또는 뒷면, 둘 중 하나가 될 수 있다. 이제 이 동전이 회전한다고 상상해 보자. 회전하는 동안에는 어떤 측면에서 동시에 앞면도 되고 뒷면도 될 수 있다. 두 가지 상태의 중첩이다. 

양자 비트, 즉 큐비트는 회전하는 동전과 비슷하다. 양자 시스템에서 중첩 상태의 각 큐비트는 여러 상태를 동시에 표현한다. 중첩된 양자는 상호 연결되고(양자 얽힘 현상), 이론적으로 양자 컴퓨터의 성능은 시스템에 큐비트가 추가될 때마다 기하급수적으로 증가한다 

현재 양자 시스템은 수십 개의 얽힌 큐비트로 실행되지만 실용적인 애플리케이션을 실행하기 위해서는 수만 개, 아니 수백만 개의 큐비트를 원하는 대로 운용할 수 있어야 한다. 이 임계점에 이르기 위해 넘어야 할 과제는 무엇일까? 
 

큐비트의 품질 

양자 시스템의 확장에서 생성 가능한 큐비트의 수가 전부는 아니다. 대대적인 혁신과 관심이 필요한 첫 번째 영역은 대량으로 제조 가능한 고품질 큐비트를 생성할 수 있는 업계의 역량이다. 

현재 나와 있는 소형 초기 양자 컴퓨팅 시스템에 사용되는 큐비트는 품질이 낮아 상용 규모의 시스템 용도로는 사용할 수 없다. 실용적인 응용 영역에서 양자 프로그램을 실행할 수 있는 대규모 시스템을 구축하기 위해서는 수명이 더 긴 큐비트와 큐비트 간의 더 높은 연결성이 필요하다.  

인텔은 실리콘 회전 큐비트가 이 수준의 품질을 달성하기 위해 최적의 경로라고 본다. 회전 큐비트는 인텔이 수십년 동안 제조해온 단전자 트랜지스터와 비슷한 점이 많다. 또한 인텔은 현재 트랜지스터 제조에 사용되는 공정을 모조해 300mm 공정 기술을 사용하는 회전 큐비트를 위한 대용량 제조 흐름을 이미 개발했다. 

상업적으로 사용 가능한 양자 시스템을 위한 큐비트 품질을 개선하기 위해 인텔은 다시 한 번 트랜지스터 제조의 유산에 주목했다. 인텔은 파트너인 블루포스(Bluefors), 어포어(Afore)와 협력해서 트랜지스터 웨이퍼를 테스트하는 방식과 비슷하게 대규모로 웨이퍼를 테스트할 수 있는 극저온 웨이퍼 프로버인 크라이오프로버(cryoprober)를 개발했다. 이 특별한 장비는 연구 디바이스에서 이전에 비해 1,000배 더 빠르게 테스트 데이터를 얻고 학습할 수 있게 해준다. 

크라이오프로버를 사용하면 정보 획득까지의 시간이 며칠이 아닌 몇 시간으로 줄어든다. 이 테스트 역량을 통해 통계적 데이터 분석을 활용해서 빠른 피드백 루프를 생성하고 큐비트 품질을 더욱 개선할 수 있게 될 것이다. 
 

큐비트 제어 

현재 큐비트는 큐비트 자체가 위치하는 극저온 냉동고 외부에서 작동하는 대규모 제어 전자 장비를 사용해 제어한다. 큐비트는 손상에 극도로 취약하다. 대부분의 큐비트는 오류를 일으킬 수 있는 열 노이즈 및 전기적 노이즈를 최소화하기 위해 극단적으로 낮은 온도(절대영도보다 미세하게 더 높은 정도의 온도)에서 작동해야 한다. 즉, 당장 소수의 큐비트로 간단한 작업을 수행하려고 해도 극저온 냉동고로 수백 개의 전선을 연결해야 함을 의미한다. 상용 규모의 양자 컴퓨팅 시스템이라면 수백만 개의 전선을 큐비트 체임버에 연결해야 할 것이다. 실용적이지 않고 확장성도 없다. 

인텔은 이미 이 상황을 타개할 유망한 대안으로 오리건 주의 가장 추운 지역 이름을 딴 호스 리지(Horse Ridge)라는 디바이스를 시연했다. 호스 리지는 극저온 큐비트 제어 칩 기술로, 큐비트 자체와 가장 근접한 4켈빈의 극저온 냉동고 내에서 동작이 가능한 확장 가능한 상호 연결을 제공한다. 이를 통해 고집적 SoC에 일반적으로 사용되는 거추장스러운 장치를 대체하는, 큐비트의 수가 더 많은 미래 시스템으로 확장할 수 있는 확실한 방안을 제공하는 하나의 디바이스로 여러 큐비트를 제어할 수 있다. 양자 실용성을 향한 여정의 중대한 이정표다. 
 

오류 정정 

앞서 언급했듯이 큐비트는 매우 쉽게 손상되므로 오류에도 취약하다. 실용적인 양자 시스템 개발의 큰 장애물은 양자 시스템 작업 내에서 오류를 정정하는 기능이다. 그러나 제대로 된 오류 정정에는 하나의 논리적 큐비트를 만들기 위해 수십 개의 큐비트가 필요하고 이는 다시 상용 규모의 시스템에는 수백만 개의 큐비트가 필요할 것이라는 결론으로 이어진다. 양자 오류 정정의 혁신이 진행되는 가운데 인텔은 지금의 소규모 큐비트 시스템에서 알고리즘을 실행하는 데 도움이 되는 노이즈에 탄력적인 양자 알고리즘 및 오류 경감 기법을 개발하고 있다. 
 

확장 가능한 풀 스택 시스템 

양자 컴퓨팅은 프로그램 실행 방법이 전혀 다른 완전히 새로운 유형의 컴퓨팅이므로 양자에 맞게 개발된 하드웨어와 소프트웨어, 애플리케이션이 필요하다. 즉, 양자 컴퓨팅을 위해서는 애플리케이션, 컴파일러, 큐비트 제어 프로세서, 제어 전자 장비, 큐비트 칩 소자 등 스택의 모든 수준에서 새로운 구성요소가 필요하다. 이와 같은 양자 구성요소가 함께 동작하도록 하는 것은 새로운 양자 댄스의 안무를 짜는 것과 같다. 

이런 이유로 양자 하드웨어와 소프트웨어 혁신팀 간의 협업이 매우 중요하다. 인텔은 하드웨어로 실제 구축하기에 앞서 시뮬레이션과 에뮬레이션을 사용해 스택의 모든 계층에서 연구를 수행하여 시뮬레이션에서 스택의 모든 계층이 어떻게 효과적으로 작동하는지를 파악한다. 
 

향후 전망

양자 컴퓨팅은 컴퓨팅 성능의 기하급수적 증대를 약속한다. 대규모 양자 시스템 개발을 위해서는 극복해야 할 장애물이 많다. 그러나 이러한 과제에 직면한다고 해서 단념하지는 않을 것이다. 과제는 연구 분야에 활기를 불어넣는다. 연구원들은 양자 시스템의 잠재력과 현재의 개발 진행 상황에 들떠 있지만, 이제 마라톤의 첫 구간을 지나고 있을 뿐이라는 점도 인식하고 있다. 결승점을 통과할 날을 고대한다. 

*Anne Matsuura는 인텔 연구소의 퀀텀 애플리케이션 및 아키텍처 담당 디렉터다. editor@itworld.co.kr



2020.12.22

기고 | 양자 컴퓨팅을 가로 막는 4가지 기술적 장애물

Anne Matsuura | InfoWorld
지금 수백만 개의 큐비트가 있다면 양자 컴퓨팅으로 무엇을 할 수 있을까? 답은 ‘시스템의 나머지 부분이 없다면 아무것도 할 수 없다’이다. 업계 전반적으로 양자 연구 분야에서 많은 진척이 이뤄지고 있다. 그러나 업계는 양자 시스템 개발이라는 마라톤의 결승점에 다가가기 위해서는 네 가지의 주요 과제를 극복해야 한다. 
 
ⓒ Getty Images Bank
 

양자의 위력 

양자 컴퓨팅의 위력을 이해하는 간단한 방법 중 하나는 컴퓨터 비트를 동전으로 생각하는 것이다. 동전은 앞면 또는 뒷면, 둘 중 하나가 될 수 있다. 이제 이 동전이 회전한다고 상상해 보자. 회전하는 동안에는 어떤 측면에서 동시에 앞면도 되고 뒷면도 될 수 있다. 두 가지 상태의 중첩이다. 

양자 비트, 즉 큐비트는 회전하는 동전과 비슷하다. 양자 시스템에서 중첩 상태의 각 큐비트는 여러 상태를 동시에 표현한다. 중첩된 양자는 상호 연결되고(양자 얽힘 현상), 이론적으로 양자 컴퓨터의 성능은 시스템에 큐비트가 추가될 때마다 기하급수적으로 증가한다 

현재 양자 시스템은 수십 개의 얽힌 큐비트로 실행되지만 실용적인 애플리케이션을 실행하기 위해서는 수만 개, 아니 수백만 개의 큐비트를 원하는 대로 운용할 수 있어야 한다. 이 임계점에 이르기 위해 넘어야 할 과제는 무엇일까? 
 

큐비트의 품질 

양자 시스템의 확장에서 생성 가능한 큐비트의 수가 전부는 아니다. 대대적인 혁신과 관심이 필요한 첫 번째 영역은 대량으로 제조 가능한 고품질 큐비트를 생성할 수 있는 업계의 역량이다. 

현재 나와 있는 소형 초기 양자 컴퓨팅 시스템에 사용되는 큐비트는 품질이 낮아 상용 규모의 시스템 용도로는 사용할 수 없다. 실용적인 응용 영역에서 양자 프로그램을 실행할 수 있는 대규모 시스템을 구축하기 위해서는 수명이 더 긴 큐비트와 큐비트 간의 더 높은 연결성이 필요하다.  

인텔은 실리콘 회전 큐비트가 이 수준의 품질을 달성하기 위해 최적의 경로라고 본다. 회전 큐비트는 인텔이 수십년 동안 제조해온 단전자 트랜지스터와 비슷한 점이 많다. 또한 인텔은 현재 트랜지스터 제조에 사용되는 공정을 모조해 300mm 공정 기술을 사용하는 회전 큐비트를 위한 대용량 제조 흐름을 이미 개발했다. 

상업적으로 사용 가능한 양자 시스템을 위한 큐비트 품질을 개선하기 위해 인텔은 다시 한 번 트랜지스터 제조의 유산에 주목했다. 인텔은 파트너인 블루포스(Bluefors), 어포어(Afore)와 협력해서 트랜지스터 웨이퍼를 테스트하는 방식과 비슷하게 대규모로 웨이퍼를 테스트할 수 있는 극저온 웨이퍼 프로버인 크라이오프로버(cryoprober)를 개발했다. 이 특별한 장비는 연구 디바이스에서 이전에 비해 1,000배 더 빠르게 테스트 데이터를 얻고 학습할 수 있게 해준다. 

크라이오프로버를 사용하면 정보 획득까지의 시간이 며칠이 아닌 몇 시간으로 줄어든다. 이 테스트 역량을 통해 통계적 데이터 분석을 활용해서 빠른 피드백 루프를 생성하고 큐비트 품질을 더욱 개선할 수 있게 될 것이다. 
 

큐비트 제어 

현재 큐비트는 큐비트 자체가 위치하는 극저온 냉동고 외부에서 작동하는 대규모 제어 전자 장비를 사용해 제어한다. 큐비트는 손상에 극도로 취약하다. 대부분의 큐비트는 오류를 일으킬 수 있는 열 노이즈 및 전기적 노이즈를 최소화하기 위해 극단적으로 낮은 온도(절대영도보다 미세하게 더 높은 정도의 온도)에서 작동해야 한다. 즉, 당장 소수의 큐비트로 간단한 작업을 수행하려고 해도 극저온 냉동고로 수백 개의 전선을 연결해야 함을 의미한다. 상용 규모의 양자 컴퓨팅 시스템이라면 수백만 개의 전선을 큐비트 체임버에 연결해야 할 것이다. 실용적이지 않고 확장성도 없다. 

인텔은 이미 이 상황을 타개할 유망한 대안으로 오리건 주의 가장 추운 지역 이름을 딴 호스 리지(Horse Ridge)라는 디바이스를 시연했다. 호스 리지는 극저온 큐비트 제어 칩 기술로, 큐비트 자체와 가장 근접한 4켈빈의 극저온 냉동고 내에서 동작이 가능한 확장 가능한 상호 연결을 제공한다. 이를 통해 고집적 SoC에 일반적으로 사용되는 거추장스러운 장치를 대체하는, 큐비트의 수가 더 많은 미래 시스템으로 확장할 수 있는 확실한 방안을 제공하는 하나의 디바이스로 여러 큐비트를 제어할 수 있다. 양자 실용성을 향한 여정의 중대한 이정표다. 
 

오류 정정 

앞서 언급했듯이 큐비트는 매우 쉽게 손상되므로 오류에도 취약하다. 실용적인 양자 시스템 개발의 큰 장애물은 양자 시스템 작업 내에서 오류를 정정하는 기능이다. 그러나 제대로 된 오류 정정에는 하나의 논리적 큐비트를 만들기 위해 수십 개의 큐비트가 필요하고 이는 다시 상용 규모의 시스템에는 수백만 개의 큐비트가 필요할 것이라는 결론으로 이어진다. 양자 오류 정정의 혁신이 진행되는 가운데 인텔은 지금의 소규모 큐비트 시스템에서 알고리즘을 실행하는 데 도움이 되는 노이즈에 탄력적인 양자 알고리즘 및 오류 경감 기법을 개발하고 있다. 
 

확장 가능한 풀 스택 시스템 

양자 컴퓨팅은 프로그램 실행 방법이 전혀 다른 완전히 새로운 유형의 컴퓨팅이므로 양자에 맞게 개발된 하드웨어와 소프트웨어, 애플리케이션이 필요하다. 즉, 양자 컴퓨팅을 위해서는 애플리케이션, 컴파일러, 큐비트 제어 프로세서, 제어 전자 장비, 큐비트 칩 소자 등 스택의 모든 수준에서 새로운 구성요소가 필요하다. 이와 같은 양자 구성요소가 함께 동작하도록 하는 것은 새로운 양자 댄스의 안무를 짜는 것과 같다. 

이런 이유로 양자 하드웨어와 소프트웨어 혁신팀 간의 협업이 매우 중요하다. 인텔은 하드웨어로 실제 구축하기에 앞서 시뮬레이션과 에뮬레이션을 사용해 스택의 모든 계층에서 연구를 수행하여 시뮬레이션에서 스택의 모든 계층이 어떻게 효과적으로 작동하는지를 파악한다. 
 

향후 전망

양자 컴퓨팅은 컴퓨팅 성능의 기하급수적 증대를 약속한다. 대규모 양자 시스템 개발을 위해서는 극복해야 할 장애물이 많다. 그러나 이러한 과제에 직면한다고 해서 단념하지는 않을 것이다. 과제는 연구 분야에 활기를 불어넣는다. 연구원들은 양자 시스템의 잠재력과 현재의 개발 진행 상황에 들떠 있지만, 이제 마라톤의 첫 구간을 지나고 있을 뿐이라는 점도 인식하고 있다. 결승점을 통과할 날을 고대한다. 

*Anne Matsuura는 인텔 연구소의 퀀텀 애플리케이션 및 아키텍처 담당 디렉터다. editor@itworld.co.kr

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