3곳의 스타트업이 양자 컴퓨팅 도입을 가속화할 수 있는 오류 수정 기술을 잇달아 발표해 눈길을 끈다.
양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 있다. 주요 과제 중 하나는 큐비트의 안정성 문제다. 양자 비트(큐비트)가 실리콘 컴퓨터의 비트보다 훨씬 더 불안하기 때문에 아주 많은 중복(redundancy)이 필요하다. 실제로 오늘날의 양자 컴퓨터는 하나의 사용 가능하고 기능적이며 논리적인 큐비트를 생성하기 위해 수천 또는 수만 개의 큐비트를 필요로 한다.
해결책은 무엇일까? ‘오류 수정’(Error correction)이 그것일 수 있다. 씨티그룹 이노베이션 랩의 CTO이자 씨티 액셀러레이터의 글로벌 책임자인 요람 아비단은 “오류 수정은 양자 컴퓨팅 분야의 고민거리다”라고 말했다.
오류 수정은 양자 계산의 정확성과 신뢰성을 보장하는 데 도움이 되며, 이는 금융 모니터링에 특히 중요하다. 아비단은 ” 특히 은행에서 실행 중인 금융 애플리케이션의 경우 오류 수정 기능이 절실하다. 안정적이고 예측 가능하며 정확한 양자 기반 솔루션을 구현하는 데 매우 중요하다. 오류 수정 분야의 혁신은 금융권 내 양자 기반 솔루션의 채택을 확실히 가속화할 것”이라고 말했다.
씨티그룹은 이미 퀀텀 컴퓨팅 기술을 실험하고 있다. 씨티는 양자 컴퓨터가 포트폴리오 최적화 작업을 얼마나 잘 처리할 수 있는지 알아보기 위해 클라우드 기반 서비스인 아마존 브래킷(Amazon Bracket)을 사용 중이다. 아마존 브래킷은 아이온큐(IonQ), 리게티(Rigetti), 옥스포드 퀀텀 서킷(Oxford Quantum Circuits), 큐에라(QuEra) 등의 여러 물리적 양자 컴퓨터를 클라우드 서비스한다.
아마존 브래킷은 시뮬레이터도 제공한다. 예를 들어 이 서비스의 상태 벡터 시뮬레이터(State Vector Simulator)는 노이즈 없이 최대 34큐비트의 양자 회로를 시뮬레이션할 수 있도록 해준다.
포트폴리오 최적화 코드를 양자 플랫폼에 적용하기 위해 씨티그룹은 이스라엘에 본사를 둔 양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 스타트업인 클래시큐(Classiq)과 파트너십을 맺었다. 이를 통해 씨티그룹은 양자 컴퓨터가 유용해질 때 경쟁에서 앞서 나갈 수 있도록 대비한다는 계획이다. 최근 몇 달 동안 몇 가지 주목할 만한 오류 수정 혁신이 출현했고 그중 일부는 곧 시장에 출시될 예정이기 때문에 그 날이 예상보다 빠르게 다가올 수도 있을 것으로 씨티그룹은 기대하고 있다.
-> 실용 사례 풍성··· 금융 산업은 양자 컴퓨팅에 대비 중
노드 퀀티크(Nord Quantique)의 양자 튕기기 실험
캐나다의 스타트업 노트 퀀티크는 지난 2월 8일 주목할 만한 성과를 발표했다. 단일 물리적 큐비트의 신뢰성을 14% 향상시켜 하나의 논리적 큐비트에 필요한 총 큐비트 수를 줄이는 방법을 성공적으로 시연했다는 설명이었다. 회사의 줄리앙 카미랑 레미르 사장 겸 CTO는 2년 안에 완전한 양자 컴퓨팅 시스템을 갖출 것이며, 2028년에 고객이 구매할 수 있는 제품을 내놓을 것이라고 자신했다. 그는 “클라우드 플랫폼을 통해 연결하고 일부 고객에게는 온프레미스 사용이 가능하도록 구현할 것”이라고 말했다.
레미르는 노드 퀀티크의 양자 컴퓨터가 출시되면 최소 100개의 논리적 큐비트를 보유하게 될 것이라고 전했다. 현재 최대 규모의 양자 컴퓨터는 1,121 큐비트를 보유한다. 높이 약 3미터, 너비 약 2미터의 거대 냉장고에 들어 있는 IBM의 퀀텀 콘도르가 그것이다.
노드 퀀티크의 논리적 큐비트와 콘도르의 1,121개의 물리적 큐비트가 어떻게 비교될 수 있는지는 아직 명확하지 않다. 일반적으로 사용 가능한 논리 큐비트 하나를 위해서는 1,000개 이상의 물리 큐비트가 필요하다. IBM도 오류 수정을 위한 자체적인 접근 방식을 실험하는 것으로 전해졌다.
노드 퀀티크는 자사의 오류 수정 접근법이 시중의 대안보다 더 효과적이라고 주장하며, 또 다른 장점은 속도라고 강조했다. 이 회사는 자사의 시스템이 일부 경쟁 시스템보다 100~1,000배 빠른 메가헤르츠 주파수의 클럭 속도로 작동할 것이라고 전망했다.
노드 퀀티크의 오류 수정 방법을 발명한 셔브룩 대학교의 밥티스트 로이어 교수에 따르면, 핵심은 광자로 가득 찬 작은 콘테이터를 물리적 큐비트에 부착하는 것이다. 이 콘테이너는 호두알 크기의 알루미늄 조각으로, 안쪽이 거울처럼 빛나도록 연마된다. 그런 다음 빛의 광선, 더 정확하게는 눈에 보이지 않는 마이크로파 스펙트럼의 광자 다발을 내부에서 반사하도록 만든다.
이 때 광자가 물리적 큐비트에 연결되어 (오류 수정을 위한) 중복성을 확보한다. 광자는 매우 작기 때문에(사실상 질량이 0) 많은 광자를 그 안에 넣을 수 있다고 로이어 교수는 설명했다. 광자가 추가될 때마다 더 많은 중복성이 제공됨에 따라 오류 수정 가능성이 커지지만, 무조건 추가하면 이점이 줄어든다고 그는 덧붙였다.
로이어에 따르면 이 접근법은 초전도 회로를 기반으로 하는 양자 컴퓨터에 특히 적합하지만, 이론적으로는 다른 유형의 양자 컴퓨터에도 적용될 수 있다. 다른 유형으로는 양자 컴퓨터로는 갇힌 이온(trapped ions), 양자점(quantum dots), 광자(photons), 중성 원자(neutral atoms)에 기반한 것들이 있다.
큐에라(QuEra), 마법 상태 증류(distillation)에 주목
노드 퀀티크의 경쟁사 중 하나는 큐에라(QuEra)다. 초전도 회로 대신 중성 원자를 사용하는 이 회사도 최근 오류 수정에 획기적인 성과를 거두었다고 발표했다. 회사의 유발 보거 CMO는 “실험에 따라 논리적 큐비트를 만드는 데 8개의 물리적 큐비트만 필요하기도 했다”라고 말했다.
지난 1월, 이 회사는 오류 수정이 가능한 새로운 컴퓨터를 공개할 시점에 대한 로드맵을 발표했다. 큐에라에 따르면, 10개의 논리적 큐비트를 갖춘 상용 양자 컴퓨터가 연내 출시될 예정이다. 이 컴퓨터는 일련의 횡단 게이트(transversal gates)에 기반한 새로운 오류 수정 메커니즘을 사용한다. 횡단 게이트RK 큐비트 간의 오류 전파를 방지하여 오류율을 낮추는 개념이다.
회사는 또 2025년에는 새로운 종류의 오류 수정 메커니즘인 매직 상태 증류(magic state distillation)로 30개의 논리 큐비트를 가진 양자 컴퓨터를 구현할 수 있을 것으로 예상했다. 매직 상태 증류는 더 다양한 게이트를 가능하게 하는데, 이는 오늘날의 특수 목적 양자 컴퓨터가 아닌 범용 양자 컴퓨터를 구축하는 데 큰 의미를 지닌다.
큐에라는 2026년에는 100개의 논리적 큐비트 컴퓨터를 출시함으로써 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터가 할 수 있는 한계를 뛰어넘을 것으로 기대했다.
그러나 감안해야 할 단점이 있다. 큐에라의 컴퓨터가 다른 대안보다 느리다는 점이다. 보거는 “우리는 오류 수정과 속도를 구분하고자 한다. 기술마다 실행 속도가 다르기 때문에 속도는 다른 문제다”라고 말했다. 참고로 큐에라는 2022년 11월부터 아마존 브라켓에서 사용할 수 있는 양자 컴퓨터를 공급하고 있다.
보거는 연구실에서 생산 단계로 컴퓨터를 가져오는 데에는 몇 개월에 이르는 시간이 소요될 수 있음을 지적하며, 일부 초기 고객은 올해 클라우드를 통해 회사의 새 양자 컴퓨터를 이용할 수 있을 것이라고 전했다. 그는 “대기자 명단은 이미 열려 있다”라며, 내년부터는 누구나 사용할 수 있게 될 것이라고 덧붙였다.
지금 온프레미스 버전의 컴퓨터를 주문할 수도 있다. 보거는 “오늘 주문하면 2025년에 받을 수 있을 것이다. 주문 제작이기 때문에 배송까지 1년 또는 1년 반이 걸린다”라고 말했다.
한편 그는 회사의 새 컴퓨터가 세상을 바꾸는 수준의 것은 아니라고 전했다. 그는 “10큐비트의 양자 회로를 시뮬레이션하고 싶다면 휴대폰으로도 할 수 있다. 초기 고객은 오류 수정이 어떻게 작동하는지, 양자 소프트웨어를 작성하는 방법을 배우고 알고리즘 테스트를 개시할 수 있을 것”라고 말했다.
고양이 큐비트(cat qubits)를 고안한 앨리스 앤 밥
그리고 세 번째 양자 컴퓨팅 스타트업인 앨리스 앤 밥(Alice & Bob)이 있다. 이들도 올해 1월에 새로운 양자 오류 수정 아키텍처를 발표했다.
CEO 테우 페로닌은 앨리스 앤 밥 또한 광자 튕기기 기법을 사용한다고 전했다. “하지만 거울 공 주위를 도는 대신 전자 회로 주위를 튕기는 방식이다”라고 그는 설명했다. 그에 따르면 IBM과 구글도 이 기술을 실험하고 있지만 단일 광자만 사용 중이다.
앨리스 앤 밥은 노드 퀀티크와 마찬가지로 여러 개의 광자를 사용한다. 또한 소프트웨어, 즉 저밀도 패리티 검사 코드를 사용한다. 페로닌에 따르면 앨리스 앤 밥의 오류 수정에서 주요 돌파구는 슈뢰딩거의 고양이 이름을 딴 ‘고양이 큐비트’(cat qubits)에서 비롯되는데, 이는 노이즈가 발생하는 차원 수(number of dimensions)를 줄인다.
일반적으로 큐비트는 일반 비트처럼 0에서 1로 전환할 수 있지만, 그렇지 않아야 할 때도 전환될 수 있으며, 위상도 변화할 수 있다. 앨리스 앤 밥의 고양이 큐비트 오류 수정 기술은 0에서 1로 전환될 가능성을 거의 완전히 제거한다. “그렇게 함으로써 위상 이동에 대한 성능이 약간 저하되지만, 그 정도는 미미하다”라고 그는 설명했다.
이렇게 하면 하나의 논리적 큐비트를 만드는 데 필요한 총 물리적 큐비트 수가 최대 200배 줄어든다. “예를 들어, 구글의 최첨단 컴퓨터로 암호를 해독하는 쇼 알고리즘을 실행하려면 2,000만 큐비트가 필요하다. 그러나 우리의 기술을 10만 퀀텀 비트보다 약간 적은 양이 소요된다”라고 페로닌은 설명했다.
게다가 이 접근 방식은 큐에라의 방식보다 더 빠르다고 그는 덧붙였다. 페로닌은 “큐에라가 해낸 일은 정말 아름답지만, 결국 우리가 만드는 것은 컴퓨터다. 속도가 중요하다”라고 말했다.
앨리스 앤 밥은 아직 상용화된 컴퓨터를 출시하지 않고 있다. 단 앞으로 몇 달 안에 3대 클라우드 제공업체 중 한 곳에 출시될 예정이다. 페로닌은 “현재는 온프레미스로 특별한 고객에게만 서비스를 제공하고 있다”라고 말했다.
최고의 오류 수정 기술은?
옴디아의 양자 부문 수석 애널리스트 샘 루세로는 여러 가지 접근 방식을 결합하여 오류율을 더욱 낮추는 것이 최선의 전략이라고 평가했다. 예를 들어 노드 퀀티크의 현재 오류 수정 시스템을 사용하면 하나의 논리적 큐비트에 1,000개의 물리적 큐비트가 필요한 대신 100개만 필요할 수 있다. 루세로는 “이는 매우 큰 변화다”라고 말했다.
하지만 오류 수정 코딩을 추가하면 필요한 총 물리적 큐비트를 훨씬 더 줄일 수 있다. “이러한 코드는 수십 가지가 있다. 이러한 유형의 코드는 코딩 효율성에 따라 하나의 논리적 큐비트를 만드는 데 필요한 물리적 큐비트 수를 훨씬 더 줄일 수 있는 것으로 보인다”라고 그는 설명했다.
그에 따르면 더 큰 문제는 어떤 유형의 큐비트가 표준이 될 것인가 하는 것이다. “다양한 유형의 큐비트가 다양한 유형의 계산에 각각 적합할 수 있다”라고 그는 말했다.
바로 이 부분에서 초기 테스트가 도움이 될 수 있다. 고성능 컴퓨팅 센터에서는 이미 양자 컴퓨터를 구매할 수 있으며, 클라우드 계정이 있는 사람이라면 누구나 온라인으로 양자 컴퓨터에 접근할 수 있다.
현재로서는 클라우드 연결을 통해 양자 컴퓨터를 사용하는 것이 훨씬 저렴하고 빠르다. 또한 기업에게 더 많은 선택지를 제공한다. 루세로는 “로그인해서 아이온큐를 일단 이용해보고, 그리고 다음 프로젝트에는 레제티를 사용할 수 있다. 다른 프로젝트에는 다른 컴퓨터를 사용해볼 수 있다”라고 말했다.
아울러 특정 독립형 양자 컴퓨터가 장기적으로 반드시 최선의 방법은 아니라고 그는 덧붙였다. “특정 유형의 컴퓨팅을 위한 GPU, 다른 유형의 컴퓨팅을 위한 양자 처리 장치, 또 다른 유형의 컴퓨팅을 위한 CPU를 갖춘 높은 성능의 컴퓨팅 역량을 그려볼 수 있다. 시스템이 자동으로 적절한 유형의 머신에 작업을 할당하고 해당 정보가 투명하게 공개될 수 있을 것이다”라고 말했다.dl-ciokorea@foundryco.com
