IBM, 양자 컴퓨팅용 나이트호크 r3 프로세서 발표 및 2027년까지 1,000큐비트 이상으로 확장 계획 발표

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IBM(뉴욕증권거래소: IBM)은 오늘 차세대 프로세서인 IBM Quantum Nighthawk r3가 520큐비트에서 10,000개의 양자 연산을 정확하게 수행하도록 설계되어 현재 Nighthawk 프로세서가 보여주는 속도와 품질을 유지하면서 더 크고 복잡한 문제를 해결할 수 있다고 발표했습니다. IBM은 2027년까지 두 개의 Nighthawk r3 프로세서를 연결하여 1,000개 이상의 큐비트를 갖춘 단일 시스템을 구축할 계획입니다.

양자 컴퓨팅의 최전선에 서기 위해서는 산업적으로 중요한 애플리케이션에서 연산 품질과 속도 모두를 요구합니다. 양자 컴퓨터는 결과를 샘플 단위로 제공하기 때문에 속도가 중요합니다. 양자 회로를 한 번 실행할 때마다 하나의 결과만 반환하기 때문입니다. 애플리케이션은 점점 더 약 100개 이상의 큐비트에서 수천 개의 양자 연산을 실행하여 수백만에서 수십억 개의 샘플을 생성하는 회로를 요구합니다. 규모와 품질은 점점 더 복잡한 연산을 가능하게 하지만, 속도는 이러한 까다로운 워크로드를 실용적인 시간 내에 합리적인 비용으로 완료할 수 있는지 여부를 결정합니다.

제이 감베타, IBM 연구소 소장 겸 IBM 펠로우

"유용한 양자 컴퓨팅의 핵심은 정확성과 속도를 모두 갖춘 결과를 도출할 수 있는지 여부입니다. 나이트호크는 이미 오늘날 이러한 정확성과 속도를 보여주고 있습니다. 이 아키텍처를 더욱 크고 강력한 양자 컴퓨터에 적용함에 따라, 양자 컴퓨팅의 역량은 새로운 차원에 도달할 것이며, 기존 컴퓨팅 자원과의 통합을 강화하고 내결함성을 향해 나아갈 것입니다."

Nighthawk r2: 실제 워크로드에 필요한 속도를 제공합니다.

9월에 출시된 IBM Quantum Nighthawk r2는 120개의 큐비트에서 7,500개 이상의 양자 연산을 지원하며 초당 최대 10만 개의 샘플을 처리합니다. 고속 큐비트 리셋 기술은 회로 실행 간 시간을 획기적으로 단축하여 애플리케이션이 복잡한 계산에 필요한 수백만 또는 수십억 개의 샘플을 훨씬 효율적으로 수집할 수 있도록 합니다.

E.ON, Algorithmiq, Q-CTRL을 포함한 고객 및 파트너는 현재까지 Nighthawk r2에서 340억 개의 회로를 실행하여 과학 계산에 필요한 품질을 유지하면서 최대 19배의 성능 향상을 보고했습니다.

이러한 결과는 이미 다양한 산업 분야에서 가치를 입증하고 있습니다. E.ON은 에너지 그리드 최적화를 위한 양자 머신 러닝에서 Nighthawk r2를 사용하여 15배의 속도 향상을 달성했다고 보고했습니다. IBM은 올해 초 오크리지 국립 연구소와 함께 진행한 실험에서 Nighthawk r2를 사용하여 실제 자기 물질을 시뮬레이션하고 중성자 산란 실험과 일치하는 결과를 도출하여 12배의 속도 향상을 달성했습니다. 이러한 속도 향상은 모두 IBM Quantum Heron에서 수행된 이전 작업 대비 달성되었습니다. Quantum Elements와 ParityQC 또한 자체 Nighthawk r2 워크로드에서 상당한 성능 향상을 보고한 파트너사 중 하나입니다.

IBM과 파트너사들이 7월에 발표한 양자 우위 실험은 IBM Quantum Heron에서 처음 실행되었으며, 회로 및 결과는 커뮤니티 주도의 Quantum Advantage Tracker를 통해 독립적인 테스트를 위해 공개적으로 제공되었습니다. 이종 양자 물질을 시뮬레이션하기 위한 Algorithmiq를 사용한 실험은 이제 Nighthawk r2로 확장되어, Nighthawk r2의 속도와 연결성을 활용하여 Heron에서 수행된 원래 실험보다 8배 빠른 속도로 회로를 실행합니다. 동시에, 새로운 회로는 기존 컴퓨터에서 시뮬레이션하기에 훨씬 더 어려워, 주요 기존 텐서 네트워크 방식을 사용할 경우 유사한 정확도를 달성하는 데 약 240배 더 많은 메모리가 필요합니다.

Nighthawk r3: 1,000개 이상의 큐비트로 확장

Nighthawk r2에서 입증된 성능을 기반으로 Nighthawk r3는 동일한 고속 아키텍처를 더 큰 양자 컴퓨터로 확장할 것입니다. 새로운 프로세서는 520개의 프로그래밍 가능한 큐비트에서 10,000개의 양자 연산을 지원하도록 설계되었으며, 총 2,034개의 물리적 큐비트를 갖추고 있습니다. r2의 정사각형 격자 연결 방식과 빠른 연산 속도를 유지하면서, 프로세서들을 더 큰 시스템으로 연결하기 위한 10개의 칩 간 상호 연결 장치인 l-커플러를 도입했습니다.

IBM은 이미 이러한 모듈식 접근 방식을 가능하게 하는 두 가지 핵심 기술을 시연했습니다. 올해 IBM은 4개의 l-커플러를 사용하여 Nighthawk r1 프로세서를 연결하여 99.3%의 양자 상태 전송 충실도를 달성하고 99.9% 목표를 향해 나아가고 있습니다. 또한 IBM은 최초로 두 개의 극저온 모듈을 단일 시스템으로 연결하여 5일 이내에 작동 온도에 도달하고 15밀리켈빈 이하로 냉각하는 데 성공했습니다.

이러한 발전은 모듈화 분야에서 중요한 진전을 보여주며 Nighthawk를 더 큰 양자 컴퓨터로 확장할 수 있는 IBM의 역량을 입증합니다. IBM은 2027년에 두 개의 Nighthawk r3 프로세서를 단일 1,040큐비트 시스템으로 연결하여 고성능 아키텍처를 더 크고 복잡한 연산으로 확장할 계획입니다.

IBM 양자 플랫폼에서 양자 컴퓨팅과 고전 컴퓨팅의 만남

양자 컴퓨팅의 발전을 위해서는 오류 처리를 위해 고전 컴퓨팅과 함께 작동하는 방식에 대한 지속적인 발전이 필요합니다. 산업 관련 워크로드는 노이즈 학습 및 사후 처리와 더불어 양자 오류 수정 및 오류 완화 기술을 요구할 것입니다. 양자 워크로드가 확장됨에 따라 더 많은 기존 컴퓨팅 자원이 필요하게 될 것이며, 이제 과제는 이러한 통합을 최적으로 확장하는 방법입니다.

이러한 패러다임을 통합하기 위해 IBM Quantum Platform은 고성능(HPC) 기존 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅을 단일 관리 환경으로 통합합니다. 이제 사용자는 노트북부터 강력한 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 다양한 기존 컴퓨팅 자원 또는 플랫폼에서 새롭게 제공되는 HPC 및 기존 컴퓨팅 자원과 양자 워크플로우를 직접 통합할 수 있습니다. 사용자들은

이러한 통합에서 고무적인 결과를 얻고 있습니다. 예를 들어, IBM과 RIKEN 과학자들은 새로운 환경을 사용하여 기존의 샘플 기반 양자 대각화(SQD) 워크플로우를 기존 연구보다 약 5배 빠르게 실행하면서 100배 더 많은 계산을 수행했습니다. 클리블랜드 클리닉과 RIKEN은 또한 이 플랫폼을 활용하여 생물학적으로 관련된 구조 모델링을 위해 6억 8백만 개의 샘플을 자동으로 처리했는데, 이는 워크플로우 자동화를 사용하지 않았을 때보다 33배 빠른 속도입니다.

향상된 기능은 양자 오류 수정 분야에서도 획기적인 발전을 가져올 것입니다. IBM 양자 플랫폼은 펄스 수준의 기능을 제공하여 연구자들이 양자 및 고전 아키텍처 내에서 오류를 감지, 이해 및 수정하는 방식을 정밀하게 제어할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 연구자들은 연산 시간을 단축하고, 큐비트를 더 빠르게 재설정하며, 양자 측정에서 더 많은 정보를 추출할 수 있습니다. 결과적으로 연구자들은 가장 근본적인 수준에서 오류 수정을 개선할 수 있는 가시성을 확보하게 됩니다.

IBM은 최근 오크리지 국립 연구소(ORNL) 및 AMD와 함께 양자 오류 수정을 위한 새로운 공동 설계 플랫폼을 출시했습니다. 이 플랫폼은 AMD Instinct MI355X GPU와 5세대 AMD EPYC CPU로 구동되는 ORNL의 Umbra 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템에 Nighthawk를 물리적으로 동일 위치에 배치합니다.