IBM Heron과 Condor: 2023년 양자 컴퓨팅의 발전

IBM은 2023년 12월에 발표를 통해 실용적인 양자 컴퓨팅을 향한 두 가지 진전을 소개했습니다. Condor는 1,000개가 넘는 물리적 큐비트를 갖추었고, Heron은 오류를 줄이는 데 초점을 맞췄습니다. 이 글은 당시의 발표와 전망을 다룹니다.

양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘을 활용하는 큐비트를 사용합니다. 0과 1 상태의 중첩이 측정 한 번으로 모든 가능한 답을 얻는다는 뜻은 아닙니다. 적합한 양자 알고리즘은 특정 문제에서 이점을 제공할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨팅을 보완하며 모든 계산을 자동으로 빠르게 하거나 기존 컴퓨터를 전반적으로 대체하지는 않습니다. 분자 시뮬레이션과 일부 최적화 문제는 중요한 연구 분야입니다.

이 기술에 대한 관심은 특정 계산을 훨씬 효율적으로 수행할 가능성에서 비롯됩니다. 성공한다면 과학과 산업에 큰 영향을 줄 수 있지만, 실제 이점은 문제와 알고리즘, 하드웨어에 따라 달라집니다.

IBM의 Heron 및 Condor

IBM은 2023년 12월 Quantum Summit에서 Heron과 Condor를 공개했습니다.

ibm_torino 시스템에 사용되는 Heron은 고정 주파수 큐비트 133개와 조정 가능한 커플러를 갖췄습니다. IBM은 기존 127큐비트 Eagle보다 장치 성능이 3~5배 개선됐다고 밝혔습니다. 이는 모든 프로그램이 그만큼 빨라진다는 뜻은 아닙니다. 설계는 큐비트 사이의 원치 않는 상호작용인 누화를 거의 완전히 억제합니다. IBM은 Heron 프로세서 3개를 탑재한 Quantum System Two도 가동했습니다. 양자 하드웨어와 고전적 제어를 결합한 모듈 구조가 개별 프로세서를 자동으로 하나의 내결함성 양자 컴퓨터로 만드는 것은 아닙니다.

Condor는 초전도 물리적 큐비트 1,121개를 갖췄습니다. IBM은 큐비트 밀도가 50% 높아졌고 제조 기술이 개선됐으며, 고밀도 극저온 배선 1마일 이상, 약 1.6킬로미터를 하나의 희석 냉각기에 통합했다고 설명했습니다. 냉각기는 절대영도에 매우 가까운 온도를 유지합니다. 성능은 기존 433큐비트 Osprey와 비슷했습니다. 큐비트 수가 많다고 항상 계산 성능이 좋아지는 것은 아니지만, 향후 확장과 하드웨어 설계에 유용한 경험을 제공했습니다.

이러한 개발은 유용한 양자 계산과 양자 프로세서를 활용하는 슈퍼컴퓨팅을 향한 진전입니다.

응용 분야 및 한계

양자 컴퓨팅은 새로운 과학적 가능성을 열 수 있습니다. 다음은 2023년 당시의 연구 방향과 전망이며, 실질적인 이점은 개별 응용 분야에서 입증되어야 합니다.

의학: 분자의 양자역학적 시뮬레이션은 신약 후보 연구를 지원할 수 있습니다. 그러나 시뮬레이션만으로 인체에서의 약효를 입증하거나 개발 기간과 비용 절감을 보장하지는 않습니다.

기상학: 연구자들은 양자 알고리즘이 기상·기후 자료 처리의 일부 단계를 개선할 수 있는지 살펴보고 있습니다. 가능한 응용 분야에는 날씨 예측과 기후변화 연구가 있습니다. 이것만으로 실제 기상예보 업무에서 일반적인 성능 우위가 입증된 것은 아닙니다.

복잡 문제 해결: 양자 알고리즘은 특정한 어려운 계산 및 최적화 작업에 대해 연구되고 있으며, 예로는 물류 및 공급망 최적화가 있습니다. 이점은 문제와 알고리즘, 하드웨어에 달려 있습니다. 고전적으로 어려운 모든 문제가 해결 가능해지는 것은 아닙니다. 교통, 에너지, 금융 등이 잠재적 응용 분야입니다.

아직 예상하지 못한 응용 분야가 나타날 수도 있습니다. 연구가 진전되면 현재 생각하지 못한 가능성이 열릴 수 있습니다.

양자 컴퓨팅은 과학적 발견과 기술 발전에 새로운 가능성을 제공할 수 있습니다. 이는 업계의 미래 전망을 설명한 문장으로, IBM 최고경영자 아르빈드 크리슈나의 검증된 직접 인용문은 아닙니다.

오류 정정, 확장성, 실용적인 알고리즘 개발에는 여전히 중요한 난제가 있습니다. 지식과 하드웨어가 발전하면서 새로운 장애물도 드러날 수 있습니다. 양자역학의 복잡성을 다루려면 정확한 설명과 실험적 검증이 필요합니다.

양자역학은 일상적 직관만으로 이해하기 어려우므로 결론은 계산과 실험에 근거해야 합니다. 이는 설명문입니다. 기존에 리처드 파인먼의 말로 제시된 정확한 인용문에 대해서는 검증 가능한 1차 출처를 찾지 못했습니다.

2023년에는 오류 정정, 확장성, 유용한 알고리즘이 폭넓은 실용화를 제약하고 있었습니다. 낙관적인 전망은 약 10년을 더 예상했지만, 이는 예측이지 확정된 일정이 아니었습니다.

교육: 미래 양자 컴퓨팅 인력 양성

오랫동안 양자 컴퓨팅은 먼 미래의 기술로 보였고 전문 교육과정도 드물었습니다. 기술이 발전하면서 새로운 연구자와 엔지니어를 양성할 필요가 커졌습니다. 이에 많은 대학이 전문 강좌와 교육과정을 제공하고 있습니다.

• 워털루 대학교의 양자 컴퓨팅 연구소는 학술 연구와 응용 기술 개발을 결합합니다. 2002년 마이크·오필리아 라자리디스 부부, 공공 부문, 대학 등의 지원으로 설립됐습니다. 원문에 나온 연구자 약 296명과 논문 1,500편 이상은 역사적 수치이며 현재 인력이나 누적 논문 수를 뜻하지 않습니다.
• 옥스퍼드 대학교는 핵자기공명(NMR)을 활용한 초기 양자 알고리즘 실험 등에 기여했습니다. 이 실험에는 의사순수 상태가 사용됐으며, 순수 상태의 범용·확장 가능한 양자 컴퓨터를 완성한 것은 아니었습니다.
• 하버드 대학교의 Harvard Quantum Initiative는 양자 컴퓨터와 그 응용 분야의 과학 및 공학을 발전시키는 데 초점을 맞추어 “두 번째 양자 혁명”을 준비하고 있습니다.
• MIT 이론 물리학 센터는 양자 정보와 양자 컴퓨팅을 깊이 탐구하며, 양자 알고리즘, 양자 정보 이론 및 양자 컴퓨터의 실험적 구현을 연구합니다.
• 2023년 싱가포르 국립대학교에 기반을 둔 양자기술센터와 캘리포니아 대학교 버클리의 양자 정보 및 계산 센터도 양자 장치 연구 및 개발에 중점을 두고 양자 컴퓨팅 교육을 선도하고 있습니다.
• 메릴랜드 대학교의 공동양자연구소(Joint Quantum Institute)는 대학과 NIST, LPS의 공동 연구기관으로 양자 시스템의 제어와 활용을 연구합니다.

양자 컴퓨팅을 개발하는 기업

다음 기업들은 2023년 당시 이 분야의 개발을 이끌던 기업들입니다. 표의 고정된 주식 정보는 원문 작성 당시의 역사적 수치이며, 금액은 해당되는 경우 미국 달러 기준입니다. 실시간 가격 모듈에는 이후의 정보가 표시될 수 있습니다.

1.  International Business Machines Corporation

IBM 가격 차트

IBM은 오랫동안 양자 컴퓨터를 개발해 왔으며 Qiskit Patterns 등을 통해 개발 도구의 접근성을 높이려 했습니다. 당시 로드맵은 모듈형 구조와 네트워킹을 통해 수십만 큐비트 규모의 시스템과 실용적인 응용을 목표로 했습니다. 이는 2023년에 완성된 하드웨어가 아니라 미래의 개발 목표였습니다.

2.  Microsoft Corporation

MSFT 가격 차트

Microsoft (MSFT )의 2023년 양자 컴퓨팅 활동은 클라우드 통합과 협력에 집중됐습니다. 회사는 IonQ, Pasqal, Quantinuum, Quantum Circuits Inc.(QCI), Rigetti를 파트너로 언급하고 자체적인 양자 볼륨 비교로 서비스를 설명했습니다. 이는 모든 종류의 양자 컴퓨터에 적용되는 보편적 성능 비교가 아니었습니다. Azure Quantum은 실험과 규모 확장을 지원했습니다. Microsoft는 글로벌 생태계를 강조하고 장기적으로 자체 양자 컴퓨터를 Azure 클라우드 서비스로 제공할 계획을 제시했습니다.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL 가격 차트

Alphabet (GOOG )은 Google Quantum AI를 통해 진전을 이뤘습니다. 2023년 Nature 논문은 표면 코드 실험을 확장할 때 논리적 오류 확률이 소폭 감소함을 보였습니다. 오류 정정 주기당 확률은 코드 거리 5에서 약 2.914%, 거리 3에서 약 3.028%였습니다. 완전히 오류 없는 컴퓨터를 구현했다는 뜻은 아닙니다. 2019년 Google은 Sycamore가 무작위 양자 회로 표본추출이라는 특정 작업을 약 200초에 수행했다고 발표했습니다. Google은 고전 슈퍼컴퓨터에 1만 년이 걸릴 것이라고 추정했지만, IBM은 이를 반박하며 약 2.5일의 고전적 방법을 제안했습니다. 이 비교는 해당 벤치마크에 관한 것이며 모든 복잡한 계산에 대한 주장이 아닙니다.

결론

양자 컴퓨팅은 컴퓨팅 세계에 획기적인 도약을 의미하며, 수많은 분야를 혁신할 잠재력을 제공합니다. IBM이 Heron 및 Condor 양자 프로세서를 통해 최근 이룬 진전은 실용적인 양자 컴퓨팅을 향한 중요한 발걸음이지만, 오류 정정, 확장성 및 알고리즘 개발과 같은 중대한 과제가 여전히 남아 있어 지속적인 연구와 혁신이 필요합니다.

이러한 과제가 남아 있더라도 양자 컴퓨팅은 오늘날 우리가 상상조차 할 수 없는 가능성을 열어줄 것이며, 새로운 과학적 발견과 기술적 진보의 시대를 열어줄 것입니다. 그 완전한 잠재력은 아직 펼쳐지고 있으며, 다양한 산업과 사회에 미칠 영향은 깊고 광범위할 것입니다.