“안정적 양자 컴퓨팅 향한 돌파구”··· MS 아톰 컴퓨팅, 신뢰성 특화한 상용 양자 머신 출시

마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅이 24개의 얽힌 논리 큐비트로 구축된 상용 양자 머신을 공개했다. 양자 컴퓨팅의 안정성 측면에서 획기적인 진전이라는 주장이다.

아톰 컴퓨팅의 중성 원자(neutral-atom) 하드웨어와 마이크로소프트의 큐비트 가상화(qubit-virtualization) 기술을 결합한 이 시스템은 양자 컴퓨팅 내의 오류 감지 및 수정이라는 핵심 과제의 해결을 목표로 한다. 이 두 기술은 인공지능, 화학, 재료 과학 등의 분야에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅 환경을 제공하도록 설계됐다고 양사는 공동 성명을 통해 밝혔다. 현재 주문 접수 중이며 2025년에 배송될 예정인 이 양자 머신은 마이크로소프트 애저 퀀텀 플랫폼의 일부이며 애저 엘리먼츠 스윗과 통합된다.

아톰 컴퓨팅의 설립자 겸 CEO 벤 블룸은 “우리의 최첨단 중성 원자 큐비트와 마이크로소프트의 큐비트 가상화 시스템을 결합함으로써 이제 상용 양자 머신에서 신뢰할 수 있는 논리적 큐비트를 제공할 수 있게 됐다. 이 시스템은 화학 및 재료 과학을 포함한 여러 분야에서 빠른 발전을 가능하게 할 것”이라고 마이크로소프트 이그나이트 2024 행사에서 말했다.

양자 컴퓨팅에서 물리적 큐비트는 양자 정보 인코딩에 사용되는 기본 구성 요소다. 일반적으로 트랩트 이온(trapped ions), 초전도 회로 또는 중성 원자와 같은 물리 시스템을 사용하여 구현된다. 문제는 환경 노이즈, 하드웨어 결함, 양자 비결합성 등으로 인해 물리적 큐비트에 오류가 발생하기 쉽다는 점이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 여러 개의 물리적 큐비트를 결합하여 논리적 큐비트를 형성함으로써 양자 오류를 감지하고 완화하는 접근법이 널리 사용된다. 즉 논리적 큐비트는 복잡한 알고리즘을 수행하고 실제 애플리케이션에서 실질적인 양자 우위를 달성하는 데 필요한 안정성과 정밀도를 제공하는 역할을 수행한다. 안정적인 양자 컴퓨팅을 구현하는 데 긴요한 셈이다.

포레스터의 찰리 다이 수석 애널리스트는 ”오류 수정, 안정성 및 확장성은 안정적인 양자 컴퓨팅을 위해 매우 중요하며 논리적 큐비트는 물리적 큐비트보다 더 안정적이고 오류 발생 가능성이 적다. 이번 성과는 양자 우위를 추구함에 있어 상당한 진전이 있음을 시사한다”라고 말했다.

중성 원자 큐비트를 기반으로 하는 양자 컴퓨팅

아톰 컴퓨팅은 레이저 펄스로 조작된 중성 원자를 사용하여 양자 정보를 저장하고 처리한다. 설명에 따르면 이 설계는 다른 큐비트 기술과 비교해 오류 수정에 중요한 확장성과 잡음 감도 감소 등에서 강점을 가진다.

이에 더해 마이크로소프트의 큐비트 가상화 시스템은 이러한 물리적 큐비트를 기반으로 논리적 큐비트를 생성하여 보다 안정적인 양자 연산을 가능하게 한다. 마이크로소프트는 “안정적인 양자 컴퓨팅을 위해서는 계산 중 오류를 감지하고 수정할 수 있는 큐비트가 필요하다”라고 회사는 블로그 게시물에서 언급했다.

양사에 따르면 이번 시스템의 신뢰성 비결은 두 가지다. 하나는 99.6%의 2큐비트 게이트 충실도를 달성한 것이며, 다른 하나는 큐비트 손실이 발생하더라도 오류를 감지하고 수정할 수 있는 능력이다. 연구팀은 24개의 논리 큐비트를 만들어 그린버거-혼-자일링거(GHZ ; Greenberger-Horne-Zeilinger) 상태로 얽는데 성공했다. 지금껏 가장 많은 수의 논리 큐비트가 얽힌 상태라는 설명이다.

신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅 향한 발전

이번 성과의 기반 중 하나는 마이크로소프트가 진행해온 양자 컴퓨팅 분야의 협력이다. 2024년 9월, 마이크로소프트와 퀀티넘은 퀀티넘의 H2 트랩트 이온 양자 컴퓨터에 애저 퀀텀의 큐비트 가상화 시스템을 적용하여 신뢰성이 높은 12개의 논리 큐비트를 만든 바 있다.

연구팀은 AI 모델 및 클라우드 고성능 컴퓨팅(HPC)과 통합된 두 개의 논리적 큐비트를 사용하여 촉매 중간체(catalytic intermediate)의 기저 상태 에너지를 추정함으로써 하이브리드 양자-클래식 컴퓨팅의 잠재력을 입증했다.

당시 마이크로소프트와 퀀티넘은 기본 물리적 큐비트보다 오류율이 800배 더 나은 논리적 큐비트를 구축했다. 설명에 따르면 이러한 성과는 마이크로소프트의 오류 수정 알고리즘을 56개의 큐비트와 99.8%의 2큐비트 충실도를 갖춘 퀀티늄의 H2 머신에 최적화되도록 확장함으로써 달성될 수 있었다.

당시 연구팀은 12개의 논리 큐비트를 고양이 상태(cat state)로 얽어냄으로써 실제 애플리케이션에서 논리 큐비트의 잠재력을 입증했으며, 24개의 논리 큐비트가 얽힌 오늘날의 발전을 위한 토대를 마련했다. 이러한 지속적인 발전은 양자 시스템이 기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제를 해결하는 과학적 양자 우위를 달성하고자 하는 마이크로소프트의 노력을 반영한다.

안정적인 계산에 대한 애저 퀀텀의 역할

마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅은 양자 머신은 하드웨어와 소프트웨어를 결합하여 신뢰할 수 있는 양자 계산을 우선시하는 애저 퀀텀 컴퓨팅 플랫폼에서 작동한다. 이 접근 방식의 목표는 이용 고객이 안정적이고 반복 가능한 계산을 위해 시스템을 사용하는 동시에 AI 기반 도구 및 고성능 컴퓨팅과 같은 추가 기능을 위해 애저 엘리먼츠와 통합할 수 있도록 보장하는 것이다.

즉 논리적 큐비트와 클라우드 리소스를 결합함으로써 이 시스템은 양자 화학 및 재료 과학 연구를 가속화하는 동시에 새로운 애플리케이션에 대한 문을 열 수 있다고 양사는 설명했다.

안정성 대 속도

마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅은 24개의 얽힌 논리적 큐비트 시스템으로 안정성을 높이는 데 주력하는 반면, IBM은 양자 계산의 규모와 속도를 발전시키고 있다.

지난주 첫 번째 IBM 퀀텀 개발자 컨퍼런스에서 IBM은 작년에 설정한 벤치마크의 거의 두 배에 달하는 최대 5,000개의 2큐비트 게이트 연산을 실행할 수 있는 양자 프로세서인 퀀텀 헤론(Quantum Heron )을 공개했다. IBM은 자사의 키스킷(Qiskit) 소프트웨어 플랫폼을 활용하여 복잡한 양자 실험의 계산 시간을 2023년 목표 대비 50배 단축하는 데 성공했다.

이는 양자 경쟁에서 기업별로 다른 우선순위를 반영한다. 마이크로소프트의 시스템은 오류 수정과 큐비트 신뢰성을 강조하며 신뢰할 수 있는 양자 연산을 위해 안정적인 논리적 큐비트를 생성하는 것을 목표로 한다. 이와 대조적으로 IBM의 퀀텀 헤론은 확장성과 계산 속도에 중점을 두고 재료 과학 및 생명 과학과 같은 분야에서 양자 유용성의 경계를 넓히고 있다.

두 접근 방식 모두 상당한 진전을 이룬 상태다. 단 IBM은 규모와 속도를 통해, 마이크로소프트는 안정적인 계산을 통해 양자 유틸리티를 발전시킨다는 점에서 양자 우위 실현을 향한 서로 다른 경로를 보여준다.

오류가 발생하기 쉽다는 점이 과제로 남아 있는 컴퓨팅 분야에서 마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅의 솔루션은 차별화된다. IBM과 구글은 초전도 큐비트와 같은 경쟁 양자 기술을 개발했지만, 이들의 시스템은 종종 높은 노이즈 수준으로 인해 확장성과 안정성이 제한되는 문제를 가진다.

아톰 컴퓨팅에 따르면 중성 원자 큐비트는 컴팩트한 어레이를 통한 확장성, 낮은 잡음 민감도 등 고유한 장점을 가지고 있어 오류 수정에 더 적합하다.

마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅은 자사의 컴퓨터가 더 안정적인 솔루션을 제공한다고 주장함에도 불구하고 양자 시스템의 광범위한 채택을 위해서는 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 지속적인 개선이 요구되는 상황이다. 다이 애널리스트는 “거대 기술 기업들은 다양한 경로를 통해 문제를 해결해내가고 있다. IBM의 고효율 양자 오류 수정 코드, 하드웨어와 오류 수정 코드의 공동 설계, 구글의 실시간 디코더, 누출 완화, 지수 오류 억제를 위한 안정화 코드를 갖춘 표면 코드 등이 대표적이다”라고 말했다.

실용적인 양자 컴퓨팅을 개발하기 위한 경쟁이 치열해지면서 안정적인 시스템을 제공할 수 있는 능력은 핵심 차별화 요소가 될 수 있다. 단 이러한 시스템의 상업적 성공은 기술적 성능뿐만 아니라 산업 전반의 실제 요구 사항을 얼마나 효과적으로 충족하는지에 따라 달라질 가능성이 크다. 다이는 “업계의 주요 기업들 모두 오류 감지 및 수정에 대한 고유한 접근 방식으로 이 분야에 상당한 기여를 하고 있으며, 실용적이고 내결함성 있는 양자 컴퓨팅을 향한 길을 닦고 있다”라고 말했다.
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