연구실에서만 존재했던 ‘양자컴퓨터’, 현실에서의 실용화를 위한 도전과제

최태우 기자 / 기사승인 : 2019-12-13 09:10:58
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▲ TU델프트(TU Delft) 공과대학의 양자컴퓨팅 랩의 쿼테크(QuTech)사의 양자컴퓨터. 쿼테크는 인텔의 양자컴퓨팅 연구 파트너사다. [source=intel]

양자컴퓨팅을 구현하기 위해 연구원들은 연구실에서 놀라운 발견들을 해내고 있다. 그러나 연구실에서 발견한 성과를 현실에서 구현하기 위해서는 양자 실용성을 입증하는 과정이 필수적이다.

양자 실용성을 통해 연구원들은 자신이 발견한 결과물을 신약 개발, 다양한 옵션 중 최적의 경로를 찾아내는 운송 방법 최적화, 자연재해 방지와 같은 현실세계의 문제에 접목할 수 있으며, 이것이 인텔이 추구하는 최종목표다.

양자컴퓨터와 관련해 발견된 다수의 연구 성과는 각각 축하 받아 마땅한 결과다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구 결과가 양자생태계를 충분히 발전시키지 못하고, 그로 인해 우리 삶에 직접적인 변화를 가져오지 못할 수도 있다.

양자컴퓨팅 연구원들은 소수의 큐비트로 엄청난 성능을 보여주는 실험용 칩 개발 과정인 큐비트 패브리케이션(Qubit Fabrication)에 많은 노력을 기울여왔다. 하지만 이 역시 양자컴퓨팅 이론과 잠재력만을 보여줄 수 있을 뿐, 사용가능한 시스템을 구현할 수 있는 역량은 보여주지 못하는 게 현실이다.

개인적인 견해로는 양자 스택 내의 근본적인 요소가 간과되고 있는 것으로 보인다. 대규모 양자 시스템을 효과적으로 운용하기 위해 필요한 제어 및 상호연결 체제 개발에 대한 연구가 충분히 진행되지 않고 있다.

현재 모든 큐비트는 개별적으로 통제되고 있다. 소수의 큐비트를 제어하는 데는 효과적일 수는 있지만, 현실에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 필요한 다량의 큐비트를 제어하는 데는 효과적이지 못하다.

이러한 문제를 해결하지 못하면, 양자 실용성이라는 목표를 달성할 수 없을 것이다. 상용화가 가능한 양자시스템 개발은 인텔이 오랜 시간동안 집중해 온 영역이다. 그리고 이제 인텔이 만들어낸 확실한 진전을 공개하게 되어 기쁘게 생각한다.

인텔은 최근 양자컴퓨팅 레이스에 투입할 새로운 팀 멤버를 공개한 바 있다. ‘호스 리지(Horse Ridge)’라고 명명된 해당 칩은 미 오리건 주에 있는 가장 추운 지역 중 한 곳의 지명을 따왔다.

TU델프트(TU Delft)와 네덜란드 응용과학연구기구(Netherlands Organization for Applied Scientific Research, TNO) 간 파트너십을 통해 인텔은 큐텍(QuTech) 연구원들과 협업하면서 호스 리지를 개발하는 데 성공했다.

호스 리지는 최초의 확장 가능한 극저온 컨트롤 칩이다. 다수의 큐비트를 상호연결하는 과정을 간소화하면서 양자시스템의 확장성을 크게 높이는 데 기여할 것으로 예상된다. 또 확장가능한 컨트롤 칩으로 이론에만 머물렀던 양자를 실용화하는 속도를 높일 수 있을 것이다.

양자컴퓨팅은 양자물리학 현상을 활용해 기존 컴퓨터가 처리하지 못한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 보유하고 있다. 양자비트(큐비트)는 다양한 상태에서 동시에 존재할 수 있다. 그 결과 동시에 다량의 연산을 처리할 수 있다.

흥미롭게도, 이를 통해 복잡한 문제를 해결하는데 소요되는 시간이 기존에는 연 단위였다면 이제 분 단위로 단축하며 문제 해결 속도를 극적으로 높일 수 있다. 그러나 큐비트가 제대로 동작하기 위해서는 양자컴퓨팅이 작동하는 극저온 냉장고 안팎에 큐비트를 엮는 선들이 연결되어 있어야 한다.

하나의 큐비트를 제어하기 위해서는 엄청난 수의 연결선이 필요한 만큼, 연구실에서 양자 실용성을 입증하기 위해 필요한 수백 혹은 수천 개의 큐비트를 제어하는 것은 매우 어려운 작업이다.  

 

▲ 짐 클라크 인텔 양자 하드웨어 총괄
연구실이 아닌 현실에서 상용화를 위한 양자솔루션을 구현하기 위해서는 그 보다 많은 수백만 개의 큐비트가 필요하다. 이렇게 무수한 수의 큐비트를 제어하는 작업은 훨씬 더 어려울 것이다.
제어 시스템을 개발하는 것이 큐비트 숫자의 증가만큼 호들갑을 떨 일은 아니지만 반드시 필요하다.

인텔은 호스 리지를 통해 현재보다 훨씬 빠르게 양자 실용성이라는 목표에 도달할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또 호스 리지와, 호스 리지가 양자컴퓨팅의 미래를 위해 제공할 가능성에 대해 큰 자부심을 느낀다.

양자시스템 내 통제와 상호작용의 중요성을 부각하고 싶은 것이지 경쟁사들의 놀라운 성과를 폄하하고 싶지는 않다. 최근 발표된 53큐비트 칩으로 양자 우월성을 시연한 것과 같이 양자 컴퓨팅 분야에서는 많은 훌륭한 성과들이 발표되고 있다.

인텔은 대규모의 모의실험을 통해 양자 컴퓨팅을 통해 실용적인 문제를 해결하기 위해선 최소한 수천 개 이상의 큐비트가 필요하다는 것을 밝혀냈다. 53큐비트는 좋은 시작이다. 그러나 아직 갈 길이 멀다.

만일 양자시스템 내 큐비트 제어와 상호연결에 대한 문제를 효과적으로 해결할 수만 있다면, 양자 실용성이라는 목표는 보다 빠르게 달성할 수 있을 것이다.

글 : 짐 클라크(Jim Clarke) / 양자 하드웨어 총괄 / 인텔

 

 

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