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Carina 시스템으로 QuiX, 포토닉 양자 컴퓨팅을 발전시키다

지난 몇 달 동안, QuiX Quantum은 경영진들이 이 공급업체의 범용 포토닉 양자 컴퓨팅 아키텍처라고 부르는 핵심 구성 요소들을 출시해 왔습니다. 여기에는 실시간 측정 응답이 가능한 중요한 하드웨어 구성 요소인 Feed-Forward Control Unit (FFCU)과 포토닉 양자 시스템을 위한 표준화된 컨트롤러인 Photonic Assembly Control Unit (PACU)가 포함됩니다.

이 기술들은 QuiX의 Dedalo 시스템 아키텍처를 6월 30일에 공개하면서 하나로 모였는데, 이 아키텍처는 고성능 및 오류 보정 포토닉 큐비트와 내결함성(fault-tolerant) 포토닉 양자 컴퓨터 개발부터 시스템이 양자-고전 하이브리드 HPC 데이터센터에 쉽게 적합하고 배치될 수 있도록 보장하는 등 여러 목표를 가지고 있습니다.

14일 후, 이 7년 된 네덜란드 회사는 이번 주 Carina를 발표하며, 이는 최초의 상용 포토닉 양자 컴퓨터이며 Dedalo 아키텍처와 논리적 큐비트(logical qubits) 사용을 위한 무대를 마련합니다.

QuiX 최고경영책임자 Stefan Hengesbach에 따르면, Carina는 범용 포토닉 양자 컴퓨팅의 필요성과 기존 데이터센터에서의 활용이라는 두 가지 요구 사항을 모두 해결하는 시스템입니다. 포토닉 양자 분야는 상업화가 빠르지만 범용적이고 내결함성 컴퓨팅의 정의에 맞지 않는 아키텍처와, 미래로 확장할 수는 있지만 실제 작동하는 데이터센터에 배치하기 어려운 아키텍처로 나뉘어 왔습니다.

Hengesbach는 성명에서 “Carina는 이 두 가지 요구 사항을 결합하여 실제 고객 환경에 설치할 수 있는 범용 아키텍처를 구현합니다”라고 말했습니다.

초전도체 및 중성 원자부터 트랩드 이온, 포토닉스에 이르기까지 다양한 양식의 양자 컴퓨팅 시스템 개발은 지난 몇 년 동안 가속화되었으며, 생성형(generative) AI와 에이전트적(agentic) AI의 부상은 이를 더욱 촉진하고 있습니다. 현재 양자 시스템들은 주로 클라우드를 통해 접근할 수 있지만, 이들이 강력한 클래식 시스템과 통합되어 HPC 데이터센터에 빠르게 자리 잡을 것으로 기대되며, 양자 처리 장치(QPU)는 CPU, GPU 등 다른 가속기들과 함께 또 하나의 가속기가 될 것입니다.

QuiX는 PsiQuantum, Photonic Inc., Quantum Computing Inc., Quantum Pulse와 같이 광자를 사용하여 큐비트(qubit)를 구축하고 정보를 빛의 입자에 직접 인코딩하는 여러 양자 회사 중 하나입니다.

QuiX 경영진은 Dedalo 아키텍처를 통해 광자 양자 컴퓨팅과 관련된 많은 문제들, 즉 광자 손실부터 오류 수정, 그리고 광자는 저장할 수 없어 즉시 사용해야 한다는 사실까지 해결했다고 주장합니다. Dedalo는 또한 내결함성(fault-tolerant) 포토닉 양자 컴퓨팅을 제공할 것으로 예상됩니다. Dedalo가 사용할 솔루션 중에는 여러 물리적 큐비트로 구성된 논리적 큐비트(logical qubits)가 포함되는데, 이는 양자 컴퓨팅에서 흔히 사용되는 오류 수정 기술입니다.

Carina는 상온에서 광자를 사용하여 범용 게이트 세트(universal gate set)를 구현할 수 있음을 증명하는 핵심 구성 요소들을 보여주고 있습니다. QuiX는 Dedalo와 함께 이 기술을 확장하기 위한 청사진을 만들고자 합니다.

Carina을 시작으로, QuiX는 측정 기반 양자 컴퓨팅(MBQC)을 사용하여 시스템 규모를 확장함으로써 고전적 시스템이 처리할 수 없는 계산에 접근할 수 있게 합니다. MBQC는 큐비트 집합에 일련의 양자 게이트를 통해 계산을 실행하는 대신, 얽힌 큐비트의 클러스터 상태(highly entangled resource state)를 생성하는 것부터 시작하여, 이후 단일 큐비트 측정의 연속을 통해 계산을 진행하며, 각 단계가 다음 단계를 결정합니다. 이를 피드-포워드 과정이라고 부릅니다.

QuiX 엔지니어들은 Carina에 관한 13페이지 분량의 백서에서 MBQC가 포토닉 양자 컴퓨팅과 잘 맞는다고 설명했습니다. 왜냐하면 광자는 이동성이 높고 주변 환경과 약하게 상호작용하기 때문에 결맞음 손실(decoherence)에 강하기 때문입니다. 하지만 이러한 약한 상호작용은 광자 간의 결정론적 2-큐비트 게이트를 직접 구현하는 것을 어렵게 만듭니다.

엔지니어들은 “MBQC는 이 문제를 우아하게 회피합니다: 계산에 필요한 얽힘은 확률적 얽힘 연산(probabilistic entangling operations)을 통해 자원 상태에 구축되며, 이는 반복적으로 시도하고 확인(heralded)할 수 있습니다. 반면, 계산 단계 자체인 측정(measurement)은 포토닉 시스템이 본질적으로 그리고 매우 높은 효율로 수행하는 작업입니다”라고 썼습니다. “더 나아가, 광자는 빛의 속도로 이동하므로, MBQC가 요구하는 고전적 피드-포워드 연산은 원칙적으로 시스템의 결맞음 시간 내에 수행될 수 있으며, 이는 통합 포토닉 아키텍처에서 자연스럽게 관리 가능한 제약 조건입니다.”

그들은 또한 “내재적인 결맞음 손실 저항성, 상온 작동, 측정 기반 계산의 조합은 광자 기반 MBQC를 유용 규모 양자 컴퓨팅으로 나아가는 독특하게 신뢰할 수 있는 경로로 만듭니다”라고 덧붙였습니다.

Carina의 등장은 QuiX가 올해 최초의 단일 광자 기반 범용 양자 컴퓨터를 개발하고 제공하기 위해 약 1,700만 달러 규모의 Series A 투자를 받은 지 1년 만에 이루어졌습니다. 차세대 시스템은 2027년에 출시될 예정입니다. 이는 유럽 연합(EU)이 2030년까지 이 지역을 양자 컴퓨팅 분야의 선두 주자로 만들려는 노력의 일환입니다. Carina는 독일연방연구기술우주부 장관이 자금을 지원한 DLR Quantum Computing Initiative의 범용 광자 양자 컴퓨터 프로젝트의 일환으로 개발되었습니다.

이 시스템의 아키텍처에는 신호 및 아이들러 광자 쌍을 생성하는 광자 발생기 서브시스템(아래에 Carina 광자 발생기 칩 참조)이 포함되어 있습니다. 이 과정에서 각 쌍의 아이들러를 감지하면 (또는 예고하면) 신호 단일 광자의 생성이 확인됩니다. 이후 신호 광자는 온칩 고속 스위칭 네트워크와 오프칩 지연 라인을 포함하는 멀티플렉서 서브시스템을 통과하며, 이 시스템은 출력 채널로 광자를 선택하고 경로를 지정하는 데 사용됩니다.

이후 광자들은 상태 생성기 서브시스템으로 들어가 온칩에서 광자들이 얽히고(entangles) 큐비트 클러스터 상태(qubit cluster state)가 생성됩니다. 다음 단계는 광자 감지기 서브시스템으로, 여기서 사용자의 연산을 실행하기 위한 측정이 이루어지고 보정 결과의 측정용 검출기가 구현됩니다.

마지막으로 제어 서브시스템은 빠른 피드포워드(fast feed-forward) 기능을 통해 범용 게이트 세트(universal gate set)를 가능하게 합니다. Carina의 PUCA와 FCCU는 아래에 나와 있습니다:

Carina 및 후속 시스템이 HPC 및 IT 데이터센터에 배치될 수 있도록 보장하기 위해, Carina의 아키텍처에는 CMOS 호환성이 있는 실리콘-나이트라이드 광자 집적 회로(PICs) 기반 하드웨어가 포함되어 있습니다. 따라서 기존 반도체 제조 공정 및 시설을 통해 제작할 수 있어 양자 하드웨어의 확장성을 높이는 데 용이합니다.

이 양자 컴퓨터는 실온에서도 작동할 수 있어, 초전도체(superconducting)와 같은 다른 방식에서 흔히 사용되는 고출력 외부 냉각 장치에 따르는 추가 비용 없이 더욱 모듈화되고 전력 효율적인 설계를 가능하게 합니다. Dedalo 아키텍처는 또한 표준 광섬유 네트워크 구성 요소를 사용하여 기존 통신 아키텍처와도 호환됩니다.

계획은 Carina에서 확립된 프로토콜과 양자 알고리즘을 실행하는 것이며, 초기 계산은 에뮬레이터(emulator)에서 진행되어 오류의 원인을 파악하고 이론적 모델로 테스트할 것입니다. Carina를 통해 QuiX 엔지니어들은 Dedalo를 포함한 자신들의 컴퓨터의 향후 버전을 위해 광자 손실(photon losses)을 포함한 시스템의 오류를 줄일 수 있을 것입니다.

엔지니어들은 백서에 다음과 같이 작성했습니다. “다양한 양자 컴퓨팅 방식 중에서, QuiX의 포토닉 양자 컴퓨팅 솔루션은 모듈성과 빠른 확장성을 가능하게 하는 네이티브 상호 연결성(native interconnectivity), 유리한 오류 수정 체계 덕분에 낮은 하드웨어 오버헤드, 그리고 실온 및 통신 운영을 통해 가능한 데이터센터 준비 상태와 같은 매혹적인 장점을 제공합니다. 하지만 포토닉 양자 컴퓨팅은 작동 시스템에서의 범용성 입증이 부족했습니다. QuiX는 모든 양자 연산을 가능하게 하는 범용 게이트 세트(universal gate set)를 구현하도록 설계된 Carina를 통해 이 이정표를 달성할 준비가 잘 되어 있습니다.”