퀀텀 컴퓨팅으로 새로워지는 데이터 처리

퀀텀 컴퓨팅이 이론적 영역에서 현실의 시스템으로 부상하고 있습니다.

인텔® 랩은 오레곤 주에서 퀀텀 프로세서를 생산하고 있으며, 10년 이내에 생산 수준의 퀀텀 컴퓨팅을 개발하는 것을 목표로 시스템 수준의 엔지니어링 작업을 수행하고 있습니다.

퀀텀 컴퓨팅이란?

데이터의 바이너리 인코딩은 0 또는 1로 구성된 비트 단위 계산(전기적으로 “on” 또는 “off” 상태)이 기본입니다. 반면, 퀀텀 컴퓨팅은 비트를 큐비트로 대체하여, 새로운 접근 방식을 모색합니다. 정통 물리학의 일반적인 정의에 따르면 큐비트는 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 중첩(superposition) 및 얽힘(entanglement)과 같은 양자 현상과 큐비트를 사용하여 데이터를 표시하는 퀀텀 시스템을 통해 컴퓨팅이 전례 없는 수준의 대규모 병렬 처리로 실행될 수 있습니다.

퀀텀 컴퓨팅을 주제로 한 인텔® 랩의 작업은 전 세계적의 학계와 업계에서 협력 및 투자와 더불어 내부 연구를 활발히 촉진시켰고, 실리콘 가공 기술에서는 특히 인텔의 리더십이 돋보였습니다. 지난 수년 동안은 퀀텀 컴퓨팅의 첫 기능적 하드웨어 구성 요소 개발에 그쳤고, 20세기의 대부분은 사고 실험을 통한 실험적 수준에 머물렀지만, 수십 년 동안 연구가 진행되면서, 이제는 이 실험적 수준에서 벗어났습니다.

퀀텀 컴퓨팅의 역사.

인텔® 랩의 연구는 한 패키지에 49개 큐비트가 통합된 초전도 퀀텀 프로세서인 Tangle Lake의 개발로 이어졌습니다. 이 프로세서는 오레곤 힐스버러에 위치한 인텔의 300밀리미터 가공 설비에서 제작됩니다. 이 장치가 바로 17개 큐비트를 포함하던 2세대 제품에서 한층 발전된, 3세대 인텔 퀀텀 프로세서입니다.

Tangle Lake는 현재 진행 중인 풀 퀀텀 컴퓨팅 시스템 개발에서 한 단계 발전한 제품입니다. 전체 시스템을 구현하려면 앞으로도 10년은 더 필요할 것으로 예상됩니다. 이 시스템은 자연적 현상을 시뮬레이션하고 분석하는 놀라운 기능을 제공할 것으로 기대를 모으고 있으며 오늘날 슈퍼컴퓨터에서 상당히 많은 시간을 요하는 현상학적 질문에도 빠른 답을 내놓을 수 있을 것입니다. 이 기능은 개인화된 맞춤형 유전 의학, 천체 물리학 및 환경 문제 해결 등의 다양한 분야에서 혁신을 주도할 것으로 예상됩니다.

Tangle Lake 49개 큐비트 퀀텀 프로세서.

업계 및 학계와 파트너십을 통해 진행 중인 개발
제대로 동작하는 퀀텀 컴퓨팅 시스템을 개발하면서 직면하게 되는 과제는 다양하면서도 까다롭습니다. 예를 들어, 큐비트 자체가 매우 깨지기 쉽고, 측정 시 퀀텀 상태에서 기존의 바이너리 상태로 되돌릴 때 데이터 손실이 발생하는 등의 문제가 있습니다. 또한 Tangle Lake는 절대 영도(켈빈 1도 내 오차)와 같은 극저온에서 사용해야 합니다.

게다가 실제로 상용 수준으로 구현 시에는 최소 백만 개의 큐비트가 요구되는 확장의 문제도 고려해야 합니다. 이러한 점에서 상대적으로 큰 퀀텀 프로세서는 본질적으로 큰 제약을 안고 있습니다. 일례로, Tangle Lake의 크기는 3평방인치 정도입니다. 이 문제를 해결하기 위해 인텔은 보다 복잡한 퀀텀 프로세서를 만들 수 있도록 설계, 모델링, 패키징, 가공 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다.

인텔은 2015년 네덜란드의 퀀텀 컴퓨팅 연구소인 QuTech와의 협업을 시작했습니다. 당시 인텔은 이 분야의 개발을 촉진하기 위해 지속적으로 엔지니어링 리소스를 제공할 수 있도록 QuTech에 미화 5천만 달러를 투자하였습니다. QuTech는 네덜란드 델프트 공과 대학과 네덜란드 응용 과학 연구 기관이 퀀텀 컴퓨팅 관련 응용 과학 연구 및 교육 센터로 설립했습니다. 가공, 전자 제어 및 아키텍처에 관한 인텔의 전문 지식과 결합된 이 파트너십은 최초의 구현 가능한 퀀텀 컴퓨팅 시스템을 개발하는 데 있어 존재하는 문제에 대응하고 있습니다.

현재 오레곤에서 생산된 Tangle Lake 칩은 네덜란드의 QuTech로 보내져, 분석을 거칩니다. QuTech는 얽혀 있는 여러 큐비트를 연결하고 제어하고 측정하는 과제를 해결하기 위한 수단으로, 퀀텀 워크로드를 시뮬레이션하는 강력한 기술을 개발하였습니다. 시스템 수준에서 퀀텀 컴퓨터 설계의 추진을 지원하는 동시에, 여기서 도출된 인사이트를 바탕으로 차세대 기술의 설계와 가공에서 테스트 단계로 빠르게 전환할 수 있었습니다.

인텔® 랩은 QuTech와의 협업 뿐만 아니라, 전체 퀀텀 컴퓨팅 스택에 존재하는 근본적인 과제와 시스템 수준의 과제 모두를 해결하기 위해 다른 에코시스템 회원과도 협력하고 있습니다. QuTech, 토론토 대학, 시카고 대학 등 여러 기관과의 공동 연구를 통해 오류 수정, 하드웨어 및 소프트웨어 기반 제어 메커니즘, 그리고 퀀텀 응용 프로그램 개발에 필요한 접근 방식이나 도구 등의 메커니즘이 포함될 수 있도록 퀀텀 장치를 쌓아 올려 가고 있습니다.

초전도를 뛰어넘어: 스핀 큐비트의 전망
초전도 큐비트에 기반한 Tangle Lake 같은 퀀텀 프로세서의 태생적 과제 중 일부를 해결하기 위해 인텔® 랩과 QuTech가 고안한 한 가지 접근 방식이 바로 스핀 큐비트에 대한 연구입니다. 스핀 큐비트는 초단파로 제어되는 실리콘 내 단전자의 회전을 바탕으로 작동합니다. 스핀 큐비트는 초전도 큐비트와 비교할 때 실리콘에서 작동하는 기존 반도체 구성 요소와 매우 흡사하며, 기존 가공 기술의 장점을 취하고 있습니다. 또한 이 연구의 가장 유망한 장점은 다음과 같습니다.

• 작동 온도: 스핀 큐비트의 작동 온도는 극저온이긴 하지만, 스핀 큐비트의 20밀리케빈 온도 사양은 초전도 큐비트(1K)에 비하면 훨씬 관대한 편입니다. 낮은 온도의 환경을 구축하는 노력은 절대 영도에 가까울수록 더 어렵기 때문에, 이러한 어려움이 줄어들면 시스템 복잡성도 크게 줄어들 수 있습니다.

• 안정성 및 지속 기간: 스핀 큐비트의 예상 지속 기간은 기본적으로 초전도 큐비트보다 더 길기 때문에, 프로세서 수준에서 알고리즘을 위한 구현이 훨씬 더 단순해집니다.

• 물리적 크기: 초전도 큐비트보다 훨씬 더 작기 때문에 이론적으로 1평방밀리미터에 10억 개의 스핀 큐비트가 포함될 수 있습니다. 스핀 큐비트는 크기도 작고 기존 트랜지스터와 구조적으로 유사하기 때문에, 퀀텀 컴퓨팅 시스템을 약 수백만 개의 큐비트(실제로 생산 시스템에서 이 정도 규모가 요구됨)로 확장할 때 매우 유용합니다.

지금까지 여러 연구자들은 실리콘 기반 소형 스핀 큐비트 어레이를 생산하기 위해, 인텔의 300밀리미터 프로세스 기술을 사용하여 스핀 큐비트 가공 플로우를 개발했습니다. 실제로, QuTech는 이미 소형 스핀 큐비트 기반 퀀텀 컴퓨터 시스템의 테스트를 시작했습니다. 소프트웨어 기반을 공개적으로 공유하는 QuTech는 스핀 큐비트의 측정 및 교정을 위한 Python 기반 패키지인 Quantum Technology Toolbox도 개발했습니다.

퀀텀 회로의 스케줄링에 대한 2단계 접근 방식

기존 퀀텀 하드웨어를 확장하려는 노력이 지속되면서, 작업 수를 최소화하는 방식으로 퀀텀 게이트를 스케줄링해야 할 필요가 생겼습니다. 이 연구에서는 퀀텀 회로의 게이트 스케줄링에 관해 효과적인 2단계 접근 방식을 제시합니다.

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파트너십

QuTech

QuTech는 TU Delft 및 TNO에서 공동으로 설립한 퀀텀 컴퓨팅 및 퀀텀 인터넷 관련 첨단 연구 센터입니다.

CQIQC

CQIQC(Centre for Quantum Information and Quantum Counting)는 빠르게 발전하는 학제 간 연구 협력을 증진합니다.

시카고 대학

IME(Institute for Molecular Engineering)는 엔지니어링 연구 및 교육을 새로운 방향으로 이끌며, 분자 수준의 과학에서 창의적인 응용을 장려합니다.

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뉴로모픽 및 확률 컴퓨팅

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