D-Wave, 게이트 모델 양자 컴퓨팅 야망을 위해 이중 레일(Dual-Rail) 기술 활용

D-Wave는 양자 컴퓨팅 산업에서 일종의 이례적인 존재입니다. Microsoft, Google, Amazon Web Services와 같은 하이퍼스케일러(Hyperscalers)부터 IBM, Dell Technologies, Cisco Systems, Hewlett Packard Enterprise와 같은 전통적인 엔터프라이즈 시스템 제조사에 이르기까지 많은 기업이 수익 창출을 시도하고 있으며, 순수 전문 벤더(Pure-play vendors), 소프트웨어 및 알고리즘 전문가, 사이버 보안 기업들이 입지를 다지며 가까운 미래를 바라보고 있습니다. 하지만 D-Wave는 이미 수백만 달러의 수익을 창출하며 성장 중인 비즈니스를 보유하고 있습니다.

수년 전, 회사 경영진은 어닐링(Annealing) 양자 기술을 시장에 진입하는 가장 빠른 경로로 받아들였으며, 초기에는 Advantage 및 Advantage2 양자 시스템을 Leap 양자 클라우드 서비스(Quantum cloud service)를 통해 사용할 수 있도록 했습니다. 작년 초, 이 벤더는 독일 Forschungszentrum Jülich(FZJ)의 Jülich Supercomputing Centre와 같은 조직에 현장 배포용 시스템을 판매하기 시작했습니다. 보다 최근에는 Florida Atlantic University(FAU)가 2,000만 달러에 5,000-큐비트(Qubit) Advantage 시스템을 구매하기로 합의했습니다.

이 전략은 효과를 거두고 있는 것으로 보입니다. 올해 1분기에 D-Wave는 전년 대비 1,994% 급증하고 전 분기 대비 149% 증가한 3,340만 달러의 수주 잔고(Closed bookings)를 기록했습니다. 여기에는 FAU와의 계약뿐만 아니라 Fortune 100 기업과의 2년 기간, 1,000만 달러 규모의 양자 컴퓨팅 서비스(Quantum computing-as-a-service) 계약도 포함되어 있었습니다.

게이트 모델(Gate-Model)의 북을 울리다

최근 D-Wave는 자사의 이중 플랫폼 전략, 특히 IBM, Google, IonQ와 같은 기업들이 선호하는 초전도 방식(Superconducting modality)을 활용한 게이트 모델(Gate-model) 양자 시스템 계획에 대해 더 많은 주목을 받고 있습니다. 이 회사는 10년 된 Quantum Circuits와 그 이중 레일(Dual-rail) 오류 수정(Error correction) 기술을 인수하기 위해 5억 5,000만 달러 규모의 계약을 체결하며 그 방향으로 중대한 행보를 보였습니다.

올해 초에 기술했듯이, 이중 레일(dual-rail) 큐비트 아키텍처는 오류 탐지(error detection) 기능을 큐비트 내부에 직접 내장합니다. D-Wave 경영진은 이것이 큐비트 자체의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라, 더 적은 수의 물리적 큐비트(physical qubits)로 논리적 큐비트(logical qubit)를 생성할 수 있음을 의미하며, 이는 결함 허용(fault-tolerant) 양자 시스템의 개발을 가속화할 것이라고 말합니다. 다른 벤더들이 큐비트의 수에 집중하는 반면, D-Wave는 오류 수정(error correction) 기능을 큐비트 자체에 내장하여 계산 과정 중 단일 큐비트 수준에서 오류를 찾아낼 수 있도록 함으로써 하드웨어 수준에서 오류를 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

이중 레일 방식 (The Dual-Rail Way)

이 방식을 통해 이중 레일 큐비트는 오류가 발생할 때 약 90%의 오류를 식별할 수 있으므로, 더 적은 수의 물리적 큐비트가 필요합니다. D-Wave 경영진은 또한 오류 탐지를 통해 99.9%의 2-큐비트 충실도(two-qubit fidelities)에 도달했다고 자랑하며, 이는 물리적 오류가 약 1,000번의 연산당 한 번꼴로 발생함을 의미합니다. 이 회사는 더 많은 오류 수정 기능이 추가됨에 따라 컴퓨터의 오류가 얼마나 빠르게 감소하는지를 측정하기 위해 람다(Lambda) 지표에 의존하고 있습니다. D-Wave에 따르면, 대부분의 양자 기업의 표준은 2라는 값이며, 이는 각 오류 수정이 오류의 수를 절반으로 줄인다는 것을 의미합니다. D-Wave는 람다 값이 10인 것을 목표로 하고 있는데, 경영진은 이것이 단계가 올라갈 때마다 오류를 10배 더 빠르게 줄여줄 것이며, 결과적으로 훨씬 적은 수의 물리적 큐비트가 필요한 결함 허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅으로 이어질 것이라고 말합니다.

D-Wave의 최고 개발 책임자(CDO)인 Trevor Lanting에 따르면, 이중 레일 기술은 D-Wave의 초전도(superconducting) 전문 지식 및 시스템을 대규모로 제조하려는 의도와 잘 맞물려 있습니다.

“우리는 이 핵심 큐비트 (qubit) 기술 사이에서 엄청난 시너지 효과를 보았습니다. 이 기술은 전체 허용 오차 (tolerance)를 확보하기 위한 물리적 요구 사항을 실질적으로 줄여주기 때문에 진정한 게임 체인저 (game-changer)라고 보고 있지만, 그렇다고 해서 우리가 완전히 다른 방향으로 90도 꺾여가는 것도 아닙니다.”라고 Lanting은 The Next Platform에 전했습니다. “이는 우리의 어닐링 (annealing) 및 데모 아키텍처 (demo architectures) 모두에서 우리가 나아가고 있는 방향, 즉 초전도 (superconducting) 소자를 사용하여 이러한 양자 컴퓨팅 (quantum computing) 시스템을 구축하려는 방향과 평행을 이룹니다.”

확장된 타임라인

합병이 완료됨에 따라, D-Wave는 게이트 모델 (gate-model) 시스템을 위한 확장된 타임라인을 공개하고 있습니다. 지난 1월 거래가 발표되었을 때, D-Wave는 올해 17-큐비트 이중 레일 트랜스몬 (dual-rail transmon) 기반 시스템의 일반 가용성(general availability)을 포함하여, 내년에는 49-큐비트 시스템, 2028년에는 181-큐비트 양자 컴퓨터를 포함하는 부분적인 타임라인을 제시했습니다. 이 시스템은 물리적 오류율 (physical error rate) 대비 2,000배의 오류 감소 계수 (error reduction factor)를 제공할 것이며, 확장 가능한 결함 허용 (fault-tolerant) 아키텍처의 청사진이 될 것입니다. 또한 회사는 그해에 1,000-큐비트 시스템에 대한 설계를 완료할 예정입니다.

이번 달 초, D-Wave는 2030년에 첫 번째 결함 허용 알고리즘 (fault-tolerant algorithms)을 지원할 수 있는 10-논리 큐비트 (10-logical-qubit) 시스템을 완성할 것이며, 2년 후에는 초기 화학 및 양자 AI (quantum AI) 애플리케이션을 지원하며 100만 회 이상의 연산을 수행할 수 있는 100-논리 큐비트 시스템을 출시할 것이라고 발표했습니다.

Lanting은 D-Wave가 post-NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum, 노이즈가 있는 중간 규모 양자) 시스템의 약속, 즉 "오류 수정 (Error Correction)을 수행한 다음 그 위에 소프트웨어 스택을 구축할 수 있는 능력"에 대해 고객들의 관심을 받고 있다고 말합니다. "단기적인 경로에서, 100 논리 큐비트(Logical-qubit) 및 100만 회 게이트 연산 지점에 도달하는 것은 게이트 모델 (Gate-model) 시스템이 전반적으로 상용화되는 단계라고 우리는 보고 있습니다. 많은 고객은 2030년이나 2032년까지 기다리고 싶어 하지 않습니다. 왜냐하면 그 시점이 되면 알고리즘 측면의 전문 지식이나, 이러한 시스템을 실제 산업 워크플로우 (Industrial Workflows)에 어떻게 통합할지 파악하는 전문 지식을 갖추지 못할 것이기 때문입니다."

변화하는 목표 지점 (Shifting Goalposts)

그는 이러한 시스템이 성능을 발휘하게 될 타임라인이 빨라지고 있으며, 기업들은 이 기술에 대응하기 위한 팀과 계획을 마련해야 한다는 점을 깨닫고 있다고 말합니다.

"광범위한 양자 유용성 (Quantum Utility)을 위해 실제로 무엇이 필요한지에 대한 목표 지점은 시간이 지남에 따라 변화하고 있습니다. 하지만 알고리즘과 애플리케이션에 대해 우리가 알고 있는 바를 바탕으로 한 오늘날의 가장 확실한 증거는, 일단 100 논리 큐비트 지점에 도달하여 100만 회 이상의 성공적인 연산과 같은 규모의 연산을 지원할 수 있게 되면, 주로 재료 시뮬레이션 (Material Simulation) 및 양자 화학 (Quantum Chemistry) 분야에서 초기 애플리케이션이 본격적으로 열리게 된다는 것입니다. 그 지점이 바로 우리가 이 기술이 초기 상업적 워크로드 (Commercial Workloads)를 완전히 지원하는 단계로 전환되는 것을 보는 지점입니다."라고 그는 설명합니다.

D-Wave의 목표는 어닐링 (Annealing)과 게이트 모델 (Gate-model) 양자 시스템을 모두 제공하는 일종의 원스톱 양자 숍 (One-stop quantum shop)이 되는 것입니다. Lanting은 어닐링과 초전도 (Superconducting) 노력 사이에 시너지 효과가 있다고 말하면서도, 현재 이들을 직접적으로 통합할 계획은 없다고 밝혔습니다.

“우리의 어닐링 (Annealing) 시스템은 최적화 (Optimization) 워크로드를 지원하고 있습니다,”라고 그는 말합니다. “우리는 이 시스템들이 양자 AI (Quantum AI) 애플리케이션에 도움이 될 수 있다는 많은 초기 징후를 보고 있습니다. 게이트 모델 (Gate-model) 시스템은 최적화나 많은 머신러닝 (Machine Learning) 작업들을 해결하지 못할 것이라는 증거가 늘어나고 있습니다. ... 어닐링 시스템은 정말 흥미로운 양자 화학 (Quantum Chemistry) 문제나 새로운 소재 발견 (Novel Materials Discovery) 문제들을 다룰 수는 없을 것입니다. 그것이 바로 게이트 시스템의 강점 (Sweet spot)입니다. 고객과 산업, 그리고 사용 사례에 따라, 고객들은 어느 한 쪽을 선택하거나 혹은 둘 다를 활용할 수도 있습니다.”

해당 노력을 위한 연방 자금 지원

D-Wave가 계획을 추진함에 따라, 1억 달러의 추가 자금을 확보하게 될 가능성이 높습니다. 이 회사는 미국 상무부와 의향서 (LOI)를 체결한 여러 양자 벤더 중 하나였으며, 상무부는 지난달 미국 CHIPS 및 과학법 (CHIPS and Science Act)을 통해 연방 정부가 해당 기업의 지분을 취득하는 대가로 20억 달러 규모의 프로그램을 제공한다고 발표했습니다.

D-Wave는 이 자금을 100,000-큐비트 (100,000-qubit) 어닐링 시스템과 10,000-큐비트 (10,000-qubit) 게이트 모델 컴퓨터 개발을 지원하는 데 사용할 예정입니다. IBM, Quantinuum, Rigetti, 그리고 PsiQuantum을 포함한 다른 벤더들도 유사한 의향서 (LOI)를 체결했습니다. 하지만 자금이 보장된 것은 아닙니다. 이러한 투자가 바이든 행정부 기간에 통과된 CHIPS 법의 취지에 부합하는지, 그리고 미국 정부가 민간 기업의 지분을 취득해야 하는지에 대한 논쟁이 있습니다.

그럼에도 불구하고, 이는 환영받을 일이라고 Lanting은 말합니다.

“우리에게는 몇 가지 측면이 있습니다,”라고 그는 말합니다. “첫째는 이것이 우리의 로드맵(roadmap), 즉 어닐링(annealing)과 게이트(gate) 시스템 모두의 핵심인 연구개발(R&D)이라는 점입니다. 이를 통해 우리가 계획하고 있는 일부 개발 작업의 일정을 앞당길 수 있습니다. 두 번째이자 아마도 더 중요한 점은, D-Wave가 기술 개발에 있어 미국 정부로부터 직접적인 지지(endorsement)를 받은 첫 사례라는 것입니다. 우리는 그 지지가 믿을 수 없을 정도로 중요하다고 보고 있습니다.”