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양자컴퓨터 실용화를 향한 여정은 이제부터 시작

짐 클라크(Jim Clarke) 인텔 양자 하드웨어 총괄

2019 12 12 양자 컴퓨팅의 약속을 달성하기 위해 한 걸음씩. 내딛는마라톤과 같 은 여정을 지나면서, 연구원들은 연구실에서 놀라운 발견들을 해내고 있다. 그러나 연구실에서 발견한 성과들을 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, 자연 재해 방지와 같은 현실 세계 문제에 접목할 수 있다. 그리고 이것이야말로 인텔이 추구하는 최종 목표이다.

양자 컴퓨터 관련해 발견된 다수의 연구 성과는 각각 축하 받아 마땅한 결과이다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구 결과가 양자 생태계를 충분히 발전시키지 못하고 그로 인해 우리 삶에 직접적인 변화를 가져오지 못할 수도 있다.

양자 컴퓨팅 연구원들은 소수의 큐비트로 엄청난 성능을 보여주는 실험용 칩 개발 과정인 큐비트 패브리케이션(Qubit Fabrication)에 많은 노력을 기울였다. 그러나 큐비트 패브리케이션 역시 양자 컴퓨팅 이론과 잠재력 만을 보여줄 수 있을 뿐, 사용가능한 시스템을 구현할 수 있는 역량은 보여주지 못한다.

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. 이러한 주먹구구 방식은 소수의 큐비트를 제어하는 데는 효과적일 수 있다. 그러나 현실에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 필요한 다량의 큐비트를 제어하는 데는 효과적이지 못하다.

이러한 문제를 해결하지 못하면, 양자 실용성이라는 목표를 향한 여정을 완수할 수 없을 것이다.

상용화가 가능한 양자 시스템 개발은 오랜 시간 동안 인텔이 집중해 온 영역이다. 그리고 이제 인텔이 만들어낸 확실한 진전을 공개하게 되어 기쁘게 생각한다.

인텔은 최근 양자 컴퓨팅 레이스에 투입할 새로운 팀 멤버를 공개한 바 있다. “호스 리지(Horse Ridge)”라는 이 칩은 미 오리건 주에 있는 가장 추운 지역 중 한 곳의 지명을 따서 명명되었다. TU 델프트(TU Delft)와 네덜란드 응용과학연구기구(TNO, Netherlands Organization for Applied Scientific Research) 간 파트너십을 바탕으로, 인텔은 큐텍(QuTech) 연구원들과 협업해 호스 리지를 개발했다. 호스 리지는 최초의 확장 가능한 극저온 컨트롤 칩으로, 다수의 큐비트를 상호 연결하는 과정을 간소화해 양자 시스템의 확장성을 크게 높일 것으로 기대한다. 확장가능한 컨트롤 칩으로 이론에만 머물렀던 양자를 실용화하는 속도를 높일 수 있을 것이다.

양자 컴퓨팅은 양자 물리학 현상을 활용해 기존 컴퓨터가 처리하지 못한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 보유하고 있다. 양자 비트 (혹은 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 양자 컴퓨팅이 작동하는(우주 심연보다 낮은 온도의) 극저온 냉장고 안팎에 큐비트를 엮는 선들이 연결되어 있어야 한다.

하나의 큐비트를 제어하기 위해서는 엄청난 수의 연결 선이 필요한 만큼, 연구실에서 양자 실용성을 입증하기 위해 필요한 수백 혹은 수천 개의 큐비트를 제어하는 것은 매우 어려운 작업이다. 현실 세계에서 상용화를 위한 양자 솔루션을 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 호들갑 떨 일은 아니지만 반드시 필요하다. 그리고 호스 리지를 통해 현재보다 훨씬 빠르게 양자 실용성이라는 목표에 도달할 수 있다.

인텔은 호스 리지와, 호스 리지가 양자 컴퓨팅의 미래를 위해 제공할 가능성에 대해 큰 자부심을 느낀다. 양자 시스템 내 통제와 상호작용의 중요성을 부각하고 싶은 것이지 경쟁사들의 놀라운 성과를 폄하하고 싶지는 않다. 최근 발표된 53 큐비트 칩으로 양자 우월성을 시연한 것과 같이 양자 컴퓨팅 분야에서는 많은 훌륭한 성과들이 발표되고 있다.

인텔은 대규모의 모의 실험을 통해 양자 컴퓨팅을 통해 실용적인 문제를 해결하기 위해선 최소한 수 천개 이상의 큐비트가 필요하다는 것을 밝혀냈다. 53 큐비트는 좋은 시작이다. 그러나 아직 갈 길이 멀다.

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

경주는 시작되었다. 그러나 승리를 위해 달려야할 숨막히는 여정이 아직 많이 남아 있다.

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