퀀티넘, 오류 정정 효율성 높인 3세대 양자 컴퓨터 ‘헬리오스’ 공개
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미국과 영국 합작사인 양자컴퓨팅 기업 퀀티넘(Quantinuum)이 5일(현지시간) 3세대 양자 컴퓨터 ‘헬리오스(Helios)’를 공개했다. 이번 모델은 연산 능력과 오류 정정 기능을 대폭 강화한 것이 특징이다. 기존 양자 컴퓨터들과 마찬가지로 헬리오스의 성능 역시 아직 신소재 개발이나 금융 모델링 등 산업계에서 기대하는 수익 창출형 알고리즘을 실행하기에는 역부족이다. 그러나 개별 이온을 큐비트(qubit)로 사용하는 퀀티넘의 모델은 구글이나 IBM처럼 초전도 회로를 큐비트로 사용하는 양자 컴퓨터에 비해 확장성이 뛰어날 것으로 전
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미국과 영국 합작사인 양자컴퓨팅 기업 퀀티넘(Quantinuum)이 5일(현지시간) 3세대 양자 컴퓨터 ‘헬리오스(Helios)’를 공개했다. 이번 모델은 연산 능력과 오류 정정 기능을 대폭 강화한 것이 특징이다. 기존 양자 컴퓨터들과 마찬가지로 헬리오스의 성능 역시 아직 신소재 개발이나 금융 모델링 등 산업계에서 기대하는 수익 창출형 알고리즘을 실행하기에는 역부족이다. 그러나 개별 이온을 큐비트(qubit)로 사용하는 퀀티넘의 모델은 구글이나 IBM처럼 초전도 회로를 큐비트로 사용하는 양자 컴퓨터에 비해 확장성이 뛰어날 것으로 전망된다. 2021년 허니웰 퀀텀 솔루션즈(Honeywell Quantum Solutions)와 케임브리지 퀀텀(Cambridge Quantum)의 합병으로 탄생한 퀀티넘의 부사장 제니퍼 스트레이블리(Jennifer Strabley)는 “헬리오스는 더 큰 규모의 물리적 시스템으로 나아가는 과정에서 중요한 이정표”라고 평가했다. 허니웰은 현재 퀀티넘의 대주주 지위를 유지하고 있다. 콜로라도에 위치한 퀀티넘 시설에 설치된 헬리오스는 거울, 레이저, 광섬유 등 수많은 구성 요소로 이루어져 있다. 그중 핵심은 엄지손톱만 한 크기의 칩으로, 실제 연산을 수행하는 큐비트 역할을 하는 바륨(barium) 이온이 포함되어 있다. 56개의 이터븀(ytterbium) 큐비트를 사용하는 이전 모델 H2와 달리 헬리오스는 한 번에 98개의 바륨 이온으로 연산을 수행한다. 바륨 이온은 이터븀 이온보다 제어하기가 쉽다는 점에서 기술적으로 한 단계 진보한 대안으로 평가된다. 이 모든 구성 요소는 약 15 켈빈온도(섭씨 약 -259도)로 냉각된 진공 챔버 안에 설치되어 있으며 광학 테이블 위에 고정되어 있다. 사용자는 클라우드를 통해 원격으로 로그인해 헬리오스에 액세스할 수 있다. 헬리오스는 정보를 이온의 양자 상태로 인코딩(변환)한다. 이 양자 상태는 기존 컴퓨터의 비트처럼 0과 1을 나타낼 수 있을 뿐 아니라 두 가지 상태가 확률적으로 공존하는 중첩(superposition) 상태도 표현할 수 있다. 양자 컴퓨팅의 대표적인 특징인 중첩 상태는 마치 공중에 던진 동전처럼 앞면도 뒷면도 아닌, 두 가능성이 동시에 존재하는 상태와 비슷하다. 양자 컴퓨팅은 이온과 같은 양자역학적 입자의 고유한 수학적 특성을 활용해 연산을 수행한다. 옹호자들은 이 기술이 배터리 개발을 위한 고정밀 화학 시뮬레이션이나 물류 및 금융 분야의 보다 정교한 최적화 알고리즘 같은 상업적으로 유용한 작업에 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 지난 10년간 전 세계 기업 및 학술 기관의 연구자들은 민간 및 공공 부문으로부터 수십억 달러 규모의 자금을 지원받아 양자 컴퓨팅 기술을 점진적으로 발전시켜 왔다. 그러나 양자 컴퓨팅은 여전히 미성숙한 과도기적 단계에 머물러 있으며, 언제 실제로 수익을 실현될 수 있을지도 불확실하다
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. 최근 개발자들은 주로 양자 컴퓨터의 확장성 확보, 즉 더 많은 큐비트를 안정적으로 운용할 수 있는 기술을 개발하는 데 집중해 왔다. 더 강력한 양자 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 과제 중 하나는 오류 정정(error correction) 기술을 개발하는 것이다. 다른 모든 컴퓨터와 마찬가지로 양자 컴퓨터도 계산 과정에서 오류를 일으킬 수 있다. 고전 컴퓨터는 정보를 중복 저장해 이러한 오류를 정정하지만 양자 컴퓨터는 양자역학의 특성상 동일한 방법을 적용할 수 없어 이를 보완하기 위한 특수한 오류 정정 기법이 필요하다. 양자 오류 정정은 하나의 정보를 단일 큐비트에 저장하는 대신 여러 개의 큐비트에 분산해 저장하는 방식을 말한다. 정확한 방식은 양자 컴퓨터의 하드웨어에 따라 달라지며, 일부 컴퓨터에서는 하나의 정보 단위를 표현하는 데 더 많은 큐비트가 사용되기도 한다. 업계에서는 오류가 수정된 양자 정보 단위를 ‘논리적 큐비트(logical qubit)’라고 부른다. 헬리오스는 하나의 논리적 큐비트를 생성하기 위해 두 개의 이온, 즉 두 개의 ‘물리적 큐비트(physical qubit)’만을 사용한다. 이는 초전도 회로 기반의 최신 양자 컴퓨터에 비해 적은 수치다. 2024년 구글은 하나의 논리적 큐비트를 구현하는 데 105개의 물리적 큐비트를 사용했고, 올해 IBM은 12개, 아마존웹서비스(AWS)는 9개의 물리적 큐비트를 사용했다. 세 기업은 모두 초전도 회로를 큐비트로 사용하는 방식을 채택하고 있다. 라지불 이슬람(Rajibul Islam) 캐나다 워털루 대학교 물리학자는 퀀티넘과 직접적인 관련이 없는 외부 전문가로서 헬리오스의 큐비트 정밀도가 특히 주목할 만하다고 평가했다. 헬리오스는 처음부터 큐비트 오류율이 매우 낮아 오류 정정을 위해 하드웨어 자원을 많이 투입할 필요가 없다. 퀀티넘은 ‘얽힘(entanglement)’이라 불리는 연산에서 여러 개의 큐비트 쌍을 상호작용시킨 결과, 헬리오스가 99.921%의 확률로 예상대로 작동함을 확인했다. 이슬람은 “이는 내가 아는 플랫폼 중 가장 높은 수준의 정확도”라고 평가했다. 이와 같은 성능상의 이점은 이온 설계의 특성에서 비롯된다. 양자 칩 표면에 고정된 초전도 회로와 달리 헬리오스의 이온은 칩 내부에서 자유롭게 이동할 수 있다. 덕분에 헬리오스의 이온은 시스템 내 모든 다른 이온과 상호작용할 수 있으며, 이러한 능력을 ‘완전 연결성(all-to-all connectivity)’이라 한다.
정리
이 구조적 특성 덕분에 헬리오스는 더 적은 수의 물리적 큐비트로 오류를 정정할 수 있다. 반면 초전도 큐비트는 인접한 큐비트와만 상호작용할 수 있기 때문에 멀리 떨어져 있는 큐비트 사이의 연산을 수행하려면 그사이에 놓인 여러 중간 단계를 거쳐야 한다. 스트레이블리는 “이러한 고성능 시스템에서 완전 연결성 구조의 중요성이 점점 더 분명해지고 있다”고 말했다. 그럼에도 불구하고 장기적으로 어떤 종류의 큐비트가 지배적인 기술로 자리 잡게 될지는 아직 불확실하다. 각 방식은 확장성 면에서 고유한 설계상의 이점을 제공한다. 이슬람은 “이온 방식(미국 스타트업 아이온큐(IonQ)와 퀀티넘이 채택한 방식)은 상대적으로 오류 발생률이 낮다는 점에서 경쟁력이 있다”며 “적은 수의 물리적 큐비트로도 더 많은 연산을 수행할 수 있다”고 설명했다. 반면 초전도 큐비트는 제조가 더 용이하다는 장점이 있다. 이슬람은 보스턴의 스타트업 큐에라(QuEra)가 개발한 양자 컴퓨터 등에 사용되는 중성 원자(neutral atom) 기반 큐비트에 대해 이온보다 “제어(trap)하기가 쉽다”고 평가했다. 퀀티넘은 단순히 칩에 포함된 큐비트 수를 늘리는 데 그치지 않고 ‘실시간(on-the-fly)’ 오류 정정 기능도 새롭게 구현했다. 데이비드 헤이스(David Hayes) 퀀티넘 계산 이론 및 설계 책임자는 “이는 자사 컴퓨터에 새로 추가된 기능”이라고 설명했다. 병렬 방식으로 큐비트의 오류를 감지하는 과정에는 엔비디아(Nvidia)의 GPU가 사용되었으며, 헤이스는 “업계에서 사용되는 FPGA 칩보다 GPU가 오류 정정에 더 효과적”이라고 주장했다. 퀀티넘은 자사 양자 컴퓨터를 활용해 자성과 초전도의 기본적인 물리 현상을 연구해 왔다. 올해 초에는 이전 모델인 H2로 자석의 동작을 시뮬레이션했으며 그 결과가 “자성에 대한 이해를 확장하는 데 있어 가장 우수한 고전적 접근법에 견줄 만큼 효과적”이라고 주장했다. 퀀티넘은 이번에 헬리오스를 공개하며 이 최신 모델을 통해 고온 초전도체 내 전자의 움직임을 시뮬레이션했다고 밝혔다. 헤이스는 “이는 형식적인 연구 주제가 아니다. 실제로 미 에너지부(DOE)와 같은 주요 기관들이 큰 관심을 두고 있는 연구 주제들”이라고 설명했다. 퀀티넘은 미네소타 시설에 또 다른 헬리오스 시스템을 구축할 계획이다. 또한 192개의 물리적 큐비트를 탑재한 4세대 양자 컴퓨터 ‘쏠(Sol)’의 시제품도 이미 제작하기 시작했으며, 2027년 출시를 목표로 하고 있다. 이후 2029년에는 수천 개의 물리적 큐비트를 갖춘 ‘아폴로(Apollo)’를 공개할 예정이며 이 모델에는 대규모 오류 정정이 가능한 ‘완전 오류 내성(fully fault tolerant)’ 구조를 구현할 것이라고 밝혔다
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