수년 동안 양자 컴퓨팅의 뉴스 주기는 기록 설정 시스템에 대한 헤드라인에 의해 지배되었다. Google과 IBM의 연구원들은 누가 무엇을 달성했는지, 그리고 그것이 노력할 가치가 있는지에 대해 논쟁을 벌였다. 그러나 누가 가장 큰 프로세서를 가지고 있는지에 대해 논쟁할 시간은 지난 것 같다. 기업은 머리를 숙이고 현실 세계에서의 삶을 준비하고 있다. 갑자기 모두가 어른처럼 행동한다.

 

연구원들이 과장된 광고에서 벗어나고 싶어하는 정도를 강조하는 것처럼 IBM은 2023년에 더 많은 양자 비트 또는 "큐비트"를 사용하는 추세에 반대하는 프로세서를 발표할 것으로 예상된다. 양자 컴퓨터의 처리 장치인 큐비트는 초전도 회로, 포획된 이온, 빛의 양자 입자인 광자를 비롯한 다양한 기술로 구축할 수 있다.

 

IBM은 오랫동안 초전도 큐비트를 추구해 왔으며 수년 동안 회사는 칩에 담을 수 있는 수를 늘리는 데 꾸준히 발전해 왔다. 예를 들어, 2021년에 IBM은 기록적인 127개 제품을 공개했다. 11월에는 433큐비트 Osprey 프로세서를 선보였으며 2023년에 Condor라는 1,121큐비트 프로세서를 출시할 계획이다.

 

그러나 올해 IBM은 133큐비트에 불과한 Heron 프로세서도 선보일 것으로 예상된다. 후퇴하는 것처럼 보일 수 있지만 회사가 지적한 것처럼 Heron의 큐비트는 최고 품질이 될 것이다. 그리고 결정적으로 각 칩은 다른 Heron 프로세서에 직접 연결할 수 있어 단일 양자 컴퓨팅 칩에서 함께 연결된 여러 프로세서로 구축된 "모듈식" 양자 컴퓨터로의 전환을 예고한다. 이러한 움직임은 양자 컴퓨터가 크게 확장하는 데 도움이 될 것으로 예상된다.

 

Heron은 양자 컴퓨팅 산업의 더 큰 변화의 신호이다. 일부 전문가들은 최근의 혁신, 공격적인 로드맵 및 높은 수준의 자금 덕분에 불과 몇 년 전에 많은 사람들이 예상했던 것보다 더 일찍 범용 양자 컴퓨터를 볼 수 있다고 제안한다. 워털루 대학의 양자 컴퓨팅 연구소 부소장인 미셸 모스카(Michele Mosca)는 "전반적으로 모든 것이 확실히 빠른 속도로 진행되고 있다."고 말한다.

 

다음은 전문가들이 진전을 기대하는 몇 가지 영역이다.

 

양자 컴퓨터를 함께 연결

 

IBM의 Heron 프로젝트는 모듈식 양자 컴퓨팅 세계로 들어가는 첫 번째 단계에 불과하다. 칩은 기존의 전자 장치와 연결될 것이므로 정보가 프로세서에서 프로세서로 이동할 때 정보의 "양자성"을 유지할 수 없다. 그러나 궁극적으로 양자 친화적인 광섬유 또는 마이크로웨이브 연결과 함께 연결된 이러한 칩이 백만 개의 연결된 큐비트를 가진 분산된 대규모 양자 컴퓨터로 가는 길을 열어줄 것이라는 희망이 있다. 유용하고 오류가 수정된 양자 알고리즘을 실행하는 데 필요한 수는 그 정도일 수 있다. IBM Quantum Hardware System Development의 책임자인 Jerry Chow는 "우리는 크기와 비용 면에서 확장 가능한 기술이 필요하므로 모듈화가 핵심이다."고 말한다.

 

다른 회사들도 비슷한 실험을 시작하고 있다. 광자를 큐비트로 사용하는 PsiQuantum의 최고 과학 책임자인 Peter Shadbolt는 "물건을 함께 연결하는 것이 갑자기 큰 주제가 되었다."라고 말한다. PsiQuantum은 실리콘 기반 모듈식 칩에 마무리 작업을 하고 있다. Shadbolt는 2023년 말까지 필요한 마지막 부분인 매우 빠르고 손실이 적은 광 스위치가 완전히 시연될 것이라고 말했다. "그것이 우리에게 완전한 기능의 칩을 제공한다." 그런 다음 창고 규모의 건설이 시작될 수 있다. "우리는 건물 규모의 고성능 컴퓨터와 같은 시스템이 될 것에서 우리가 만들고 있는 모든 실리콘 칩을 함께 조립할 것이다."

 

지난해 알파벳에서 분사한 양자 기술 회사인 샌드박스AQ(SandboxAQ)의 CEO 잭 히다리(Jack Hidary)에 따르면, 프로세서 간에 큐비트를 이동시키려는 욕구는 다소 간과된 양자 기술이 이제 대두될 것임을 의미한다고 한다. 일관된 큐비트가 수백 킬로미터의 거리에 걸쳐 전송되는 양자 통신은 2023년 양자 컴퓨팅 이야기의 필수적인 부분이 될 것이라고 그는 말한다.

 

Hidary는 MIT Technology Review에 "양자 컴퓨팅을 확장하는 유일한 경로는 수천 큐비트의 모듈을 만들고 연결을 시작하여 일관된 연결을 얻는 것이다."고 말했다. “같은 방에 있을 수도 있지만 캠퍼스나 도시 간에 있을 수도 있다. 우리는 고전 세계에서 분산 컴퓨팅의 힘을 알고 있지만 양자의 경우 양자 중계기가 있는 광섬유 네트워크 또는 지상국과 위성 네트워크로 가는 일부 광섬유와 같은 일관된 링크가 있어야 한다.”

 

이러한 통신 구성 요소의 대부분은 최근 몇 년 동안 시연되었다. 예를 들어 2017년 중국의 Micius 위성은 1,200km 떨어져 있는 노드 간에 일관된 양자 통신을 수행할 수 있음을 보여주었다. 그리고 2022년 3월, 국제 학계 및 산업 연구원 그룹은 600km의 광섬유를 통해 양자 정보를 효과적으로 전달하는 양자 중계기를 시연했다.

 

소음을 감수하다

 

업계에서 큐비트를 연결하는 동시에 지난 5년 동안 유행한 아이디어(단지 수백 큐비트의 칩이 잡음이 쉽게 발생하더라도 유용한 컴퓨팅을 수행할 수 있다는 생각)에서 벗어나고 있다. 그들의 운영을 방해한다.

 

NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)라고 하는 이 개념은 수십만 큐비트가 있는 대규모 양자 컴퓨터의 이상에 도달하기 몇 년 전에 잠재적으로 양자 컴퓨팅의 단기적 이점을 볼 수 있는 방법이었을 것이다. 오류 수정에 전념한다. 그러나 NISQ에 대한 낙관론은 사라지고 있는 것 같다. 싱가포르에 본사를 둔 Horizon Quantum Computing의 CEO인 Joe Fitzsimons는 "오류 수정을 수행하기 전에 이러한 컴퓨터를 잘 사용할 수 있다는 희망이 있었지만 강조점은 그것에서 멀어지고 있다."라고 말한다.

 

일부 회사는 일부 큐비트를 사용하여 다른 큐비트의 오류를 수정하는 고전적인 형태의 오류 수정을 목표로 하고 있다. 작년에 Google Quantum AI와 Honeywell과 Cambridge Quantum Computing이 설립한 새로운 회사인 Quantinuum은 큐비트가 기본 물리적 큐비트를 능가하는 오류 수정 앙상블로 조립될 수 있음을 보여주는 논문을 발표했다.

 

다른 팀은 많은 오버헤드 없이 양자 컴퓨터를 "내결함성"으로 만드는 방법을 찾을 수 있는지 확인하려고 노력하고 있다. 예를 들어 IBM은 기계에서 오류를 유발하는 소음을 특성화한 다음 이를 빼는 방식으로 프로그래밍하는 방법을 모색해 왔다(잡음 제거 헤드폰이 하는 일과 유사). 완벽한 시스템과는 거리가 멀다. 알고리즘은 실제로 나타나는 것이 아니라 발생할 가능성이 있는 노이즈의 예측에서 작동한다. 그러나 제대로 작동한다고 Chow는 말한다.

 

포획 이온 양자 컴퓨터를 구축하고 있는 메릴랜드 소재 IonQ도 비슷한 일을 하고 있다. IonQ의 수석 과학자인 Chris Monroe는 "대부분의 오류는 우리가 이온을 찌르고 프로그램을 실행할 때 발생한다."라고 말한다. "그 소음은 알 수 있으며 다양한 유형의 완화를 통해 실제로 수치를 높일 수 있었다."

 

소프트웨어에 대해 진지하게 생각하기

 

모든 하드웨어 발전을 위해 많은 연구자들은 프로그래밍에 더 많은 관심을 기울여야 한다고 생각한다. 보스턴에 본사를 둔 양자 소프트웨어 회사인 Zapata Computing의 Michal Stechly는 "우리의 도구 상자는 앞으로 10년 동안 필요한 것에 비해 확실히 제한적이다."라고 말한다.

 

클라우드 액세스 가능한 양자 컴퓨터에서 코드가 실행되는 방식은 일반적으로 "회로 기반"이다. 즉, 최종 양자 측정이 수행되어 출력을 제공하기 전에 미리 정의된 특정 일련의 양자 작업을 통해 데이터가 입력된다는 의미이다. 이는 알고리즘 설계자에게 문제가 된다고 Fitzsimons는 말한다. 기존의 프로그래밍 루틴은 원하는 출력에 도달할 때까지 일부 단계를 반복한 다음 다른 서브루틴으로 이동하는 경향이 있다. 회로 기반 양자 컴퓨팅에서 출력을 얻는 것은 일반적으로 계산을 종료한다. 다시 돌아갈 수 있는 옵션이 없다.

 

Horizon Quantum Computing은 이러한 유연한 계산 루틴을 가능하게 하는 프로그래밍 도구를 구축해 온 회사 중 하나이다. Fitzsimons는 "이를 통해 실행할 수 있는 항목의 종류가 달라진다. 우리는 내년에 조기 액세스를 시작할 것이다."라고 말한다.

 

헬싱키에 기반을 둔 Algorithmiq는 프로그래밍 공간에서도 혁신을 일으키고 있다. CEO Sabrina Maniscalco는 “현재 양자 장치를 프로그래밍하려면 비표준 프레임워크가 필요하다. Algorithmiq에서 새로 출시한 신약 개발 플랫폼인 Aurora는 양자 계산 결과를 고전 알고리즘과 결합한다. 이러한 "하이브리드" 양자 컴퓨팅은 성장하는 분야이며 장기적으로 이 분야가 기능할 가능성이 있는 방식으로 널리 인정받고 있다. 이 회사는 2023년에 유용한 양자 이점(양자 시스템이 실제 관련 계산에서 기존 컴퓨터를 능가할 수 있음을 입증)을 달성할 것으로 기대한다고 말한다.

 

전 세계 경쟁

 

정책 측면에서도 변화가 올 가능성이 높다. 앨런 에스테베즈(Alan Estevez) 미국 상무부 산업 및 보안 차관을 포함한 정부 대표들은 양자 기술을 둘러싼 무역 제한이 다가오고 있음을 암시했다.

 

Quantinuum의 COO인 Tony Uttley는 이것이 아직 신생 산업에 부정적인 영향을 미치지 않도록 미국 정부와 적극적으로 대화하고 있다고 말했다. "우리 시스템의 약 80%는 미국 이외 지역에서 구입하는 구성 요소 또는 하위 시스템이다."라고 그는 말한다. "그들을 통제하는 것은 도움이 되지 않으며, 우리는 전 세계 다른 국가의 다른 회사와 경쟁할 때 우리 자신을 불리하게 만들고 싶지 않다."

 

그리고 경쟁자도 많다. 지난해 중국 검색 회사 바이두(Baidu)는 연구원들이 재료 설계 및 제약 개발과 같은 분야에 양자 컴퓨팅을 적용하는 데 도움이 되기를 희망하는 10개 초전도 큐비트 프로세서에 대한 액세스를 공개했다. 이 회사는 최근 36큐비트 초전도 양자 칩의 설계를 완료했다고 밝혔다. 바이두 대변인은 MIT 테크놀로지 리뷰와의 인터뷰에서 "바이두는 계속해서 양자 소프트웨어와 하드웨어를 통합하는 데 있어 획기적인 발전을 이루고 양자 컴퓨팅의 산업화를 촉진할 것"이라고 말했다. 거대 기술 기업 알리바바(Alibaba)는 또한 초전도 큐비트로 양자 컴퓨팅을 연구하는 연구원들을 보유하고 있다.

 

일본에서 Fujitsu는 Riken 연구소와 협력하여 2023년 4월부터 시작되는 회계연도에 일본 최초의 자체 개발 양자 컴퓨터에 대한 액세스를 기업에 제공하고 있다. 이 컴퓨터에는 64개의 초전도 큐비트가 있다. Fujitsu Research의 양자 연구소 책임자인 Shintaro Sato는 "초기 초점은 재료 개발, 신약 개발 및 금융을 위한 애플리케이션에 맞춰질 것이다."라고 말한다.

 

그러나 모두가 잘 다져진 초전도 경로를 따르고 있는 것은 아니다. 2020년에 인도 정부는 양자 기술에 800억 루피(발표 당시 11억 2천만 달러)를 지출하겠다고 약속했다. 위성 기반 양자 통신과 혁신적인 "qudit" 포토닉스 컴퓨팅을 위한 포토닉스 기술에 많은 부분이 갈 것이다.

 

Qudit은 큐비트의 데이터 인코딩 범위를 확장한다. 기존의 이진수 0 및 1과 달리 3, 4 또는 그 이상의 차원을 제공하므로 발생하는 오류의 범위를 반드시 늘리지 않아도 된다. "이것은 다른 곳에서 수십 년 동안 이미 진행되고 있는 것과 경쟁하기보다는 우리가 틈새 시장을 만들 수 있게 해주는 종류의 작업이다."라고 인도 방갈로르에 있는 라만 연구소(Raman Research Institute)의 양자 정보 및 컴퓨팅 연구실 책임자인 우르바시 신하(Urbasi Sinha)는 말한다.

 

상황이 심각해지고 국제적으로 경쟁력을 갖추게 되었지만 양자 기술은 현재 대부분 협력 관계를 유지하고 있다. "이 분야의 좋은 점은 경쟁이 치열하다는 것이다. 하지만 우리 모두는 이것이 필요하다는 것을 알고 있다."라고 Monroe는 말한다. “우리는 제로섬 게임 사고방식이 없다. 다양한 기술과 다양한 성숙도가 있으며 지금 우리는 모두 함께 게임을 하고 있다. 언젠가는 어떤 종류의 통합이 있을 것이지만 아직은 아니다.”

 

글쓴이: Michael Brooks는 영국에 거주하는 프리랜서 과학 저널리스트이다.