Atom Computing의 양자 컴퓨터에 있는 이테르븀 원자 그리드.

양자 컴퓨터의 규모는 빠르게 성장하고 있다. 2022년에는 IBM이 433큐비트 Osprey 칩으로 1위를 차지했다. 최근 Atom Computing은 1,180큐비트 중립 원자 양자 컴퓨터로 IBM을 한 단계 끌어올렸다고 발표했다.

새로운 기계는 진공 챔버에서 레이저로 조작되고 제자리에 고정된 작은 원자 격자 위에서 작동한다. 회사의 첫 번째 100큐비트 프로토타입은 스트론튬 원자로 구성된 10x10 그리드였다. 새로운 시스템은 이터븀 원자로 구성된 35x35 격자이다(위 그림 참조). (기계에는 1,225개의 원자를 수용할 수 있는 공간이 있지만 Atom은 지금까지 1,180개로 테스트를 실행했다.)

양자 컴퓨팅 연구자들은 작은 초전도 와이어 루프(Google 및 IBM), 갇힌 이온(IonQ) 및 광자를 포함하여 기존 컴퓨팅에서 트랜지스터로 표현되는 비트와 동일한 비트인 다양한 큐비트에 대해 연구하고 있다. 그러나 Atom Computing과 QuEra와 같은 다른 회사는 중성 원자, 즉 전하가 없는 원자가 확장 가능성이 더 크다고 믿는다.

이는 중성 원자가 양자 상태를 더 오랫동안 유지할 수 있고 자연적으로 풍부하고 동일하기 때문이다. 초전도 큐비트는 소음과 제조 결함에 더 취약하다. 중성 원자는 이웃을 방해할 수 있는 전하가 없고 무선으로 제어될 수 있기 때문에 동일한 공간에 더 촘촘하게 배치될 수 있다. 그리고 중성 원자는 다른 양자 컴퓨터에서 요구하는 거의 절대 영점 온도와 달리 실온 설정을 허용한다.

회사가 뭔가를 하고 있을 수도 있다. 그들은 이제 단 2년 만에 기계의 큐비트 수를 10배나 늘렸고 더 발전할 수 있다고 믿는다. 기술을 설명하는 동영상에서 Atom CEO 롭 헤이스(Rob Hays)는 "1입방센티미터 미만에서 수백만 큐비트로 확장할 수 있는 경로"를 보고 있다고 말한다.

“100개에서 1,000개로 가기 위해 우리가 직면해야 했던 도전의 양은 아마도 우리가 다음에 가고 싶은 것이 무엇이든 10,000, 100,000으로 갈 때 직면하게 될 도전의 양보다 훨씬 더 클 것이라고 생각한다.”고 Atom 공동 창업자 CTO인 벤 블룸(Ben Bloom)은 Ars Technica에 말했다.

하지만 규모가 전부는 아니다.

양자 컴퓨터는 매우 까다롭다. 큐비트는 표유 자기장이나 가스 입자에 의해 양자 상태에서 벗어날 수 있다. 이런 일이 많이 발생할수록 계산의 신뢰성이 떨어진다. 몇 년 전에는 스케일링이 많은 주목을 받았지만 이제는 스케일 서비스의 오류 수정으로 초점이 옮겨졌다. 실제로 Atom Computing의 새 컴퓨터는 더 크지만 반드시 더 강력하지는 않다. 예를 들어, 큐비트 수가 증가함에 따라 오류가 누적되기 때문에 모든 것을 아직 단일 계산을 실행하는 데 사용할 수 없다.

그러나 최근 이와 관련된 움직임이 나타나고 있다. 올해 초 이 회사는 계산 중에 오류를 확인하고 계산 자체를 방해하지 않고 해당 오류를 잠재적으로 수정할 수 있는 기능을 시연했다. 또한 큐비트의 충실도를 높여 전체적으로 오류를 최소한으로 유지해야 한다. 중성 원자 양자 컴퓨팅에 대한 낮은 오류 접근 방식의 고무적인 진전을 보여주는 최근 논문은 이러한 노력에 새로운 활력을 불어넣고 있다. 오류를 줄이는 것은 부분적으로 더 나은 장비와 설계로 해결할 수 있는 엔지니어링 문제일 수 있다.

블룸은 “그 논문이 출판될 때까지 중성 원자를 방해하는 것은 우리가 중성 원자를 제어하는 데 사용하는 모든 고전적인 재료였다.”고 말했다. “그리고 그것이 본질적으로 보여준 것은 엔지니어링 회사와 협력하거나 레이저 제조업체와 협력하는(우리가 하고 있는 일) 고전적인 작업을 할 수 있다면 실제로 모든 소음을 줄일 수 있다는 것이다. 그리고 이제 갑자기 믿을 수 없을 만큼 순수한 양자 시스템이 남게 된다.”

IBM은 올해 중성 원자 양자 컴퓨터의 오류 수정 외에도 필요한 큐비트 수를 몇 배나 줄일 수 있는 양자 컴퓨팅용 오류 수정 코드를 개발했다고 발표했다.

그러나 오류 수정을 하더라도 대규모 내결함성 양자 컴퓨터에는 수십만 또는 수백만 개의 물리적 큐비트가 필요하다. 그리고 점점 더 많은 수의 원자를 움직이고 얽히게 하는 데 걸리는 시간과 같은 다른 과제도 존재한다. 이러한 문제를 더 잘 이해하고 해결하기 위해 노력하는 것이 Atom Computing이 오류 수정과 동시에 규모를 추구하는 이유이다.

그동안 새 기계는 더 작은 문제에 사용될 수 있다. 블룸은 고객이 50큐비트 알고리즘 실행에 관심이 있는 경우(회사는 내년에 파트너에게 컴퓨터를 제공하는 것을 목표로 하고 있음) 신뢰할 수 있는 답변을 더 빨리 얻기 위해 전체 컴퓨터를 사용하여 여러 번 실행할 것이라고 말했다.

Google 및 IBM과 같은 거대 기업이 있는 분야에서 스타트업이 시스템을 그렇게 빠르게 확장했다는 것은 인상적이다. 그러나 Atom Computing의 1,000큐비트 기록은 오랫동안 홀로 유지될 것 같지 않다. IBM은 올해 말 1,121큐비트 콘도르 칩을 완성할 계획이다. 또한 이 회사는 노트북과 휴대폰에 흔히 사용되는 멀티 칩 프로세서와 달리 모듈식 접근 방식을 추구하고 있다. 이 방식에서는 여러 개의 작은 칩을 연결하여 확장이 가능하다.

이미지 제공: Atom Computing