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IBM, 양자 컴퓨팅을 위해 초저온 온도 달성 시스템 설계 추진

IBM, Google, Rigetti, 그리고 IQM Quantum Computers는 양자 컴퓨팅 노력에 슈퍼컨덕팅(superconducting) 방식을 채택했으며, 따라서 이들 시스템이 절대 영도 근처의 초저온 온도, 즉 10 밀리켈빈에서 20 밀리켈빈 범위에서 작동하도록 보장해야 합니다. 이러한 요구 사항은 냉각 장치의 비용, 크기 및 확장성을 포함한 다양한 공학적 과제를 수반합니다.

하지만 깊은 냉각(deep cool)은 필수적입니다. 이는 오늘날 컴퓨트 랙이 향후 몇 년 동안 메가와트(megawatt)에 달하는 열을 발생시키는 현대 AI 데이터센터의 냉각 역시 고려되어야 하는 부분입니다.

어떤 양자 방식의 큐비트(qubit)든 취약하며, 빛부터 노이즈, 다른 큐비트의 작용에 이르기까지 외부 힘으로 인해 분해되고 데이터를 잃을 수 있습니다. 슈퍼컨덕팅 컴퓨터에서 양자 상태를 생성하는 섬세한 전자 쌍은 열로 인한 원자 진동, 즉 열 잡음(thermal noise)에 취약하여 계산이 완료되기 전에 잡아당겨져 데이터 손실을 일으킬 수 있습니다.

이번 주, IBM은 모듈식이며 확장 가능한 극저온 냉각 서브시스템(cryogenic cooling subsystem)(아래)을 공개했는데, 이 시스템은 15 밀리켈빈까지 냉각할 수 있다고 회사 측이 밝혔습니다. 이는 IT 거대 기업의 계획 중 중요한 단계로, 2029년 첫 번째 내결함성 양자 시스템인 Starling 출시를 목표로 합니다. Starling은 최대 200개의 논리적 큐비트(logical qubit)를 담을 수 있도록 설계되었으며, 현재 IBM 양자 컴퓨터가 수행할 수 있는 것보다 20,000배 많은 최대 1억 개의 양자 계산이 가능하고, 오류 수정 및 프로세서 설계와 같은 핵심 분야의 발전을 탑재하게 됩니다.

새로운 극저온 인프라는 두 개의 모듈로 구성되어 있으며, 이 두 모듈을 결합하면 높이 2.4m(8피트)와 너비 2.4m(8피트)를 넘어서는 크기입니다. 이들이 연결되면 결정적인 초저온 환경을 조성합니다. 이 환경은 액체 헬륨의 온도인 4켈빈까지 불과 5일 만에 도달하며, 이후에는 우주 공간보다 100배 이상 차가운 최종 온도인 15밀리켈빈에 도달합니다.

IBM Fellow이자 IBM의 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 최고 기술 책임자(chief technology officer)인 Jerry Chow와 IBM Fellow이자 양자 시스템 부사장인 Oliver Dial이 이 인프라를 공개하며, 이것이 초전도 양자 컴퓨팅에 필요한 온도를 제공할 뿐만 아니라, 양자 시스템을 확장하는 데 필수적인 중요한 아키텍처 단계라고 밝혔습니다 (아래).

Chow는 기자들에게 “이는 내결함성(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅을 위한 실제 물리적 아키텍처이며, 이 모듈들을 실제로 연결할 수 있었다는 성공은 단일 양자 프로세서를 넘어서기 위해 필요한 복잡한 엔지니어링을 보여줍니다”라고 말하며, 모듈식의 박스형 디자인이 Starling 및 그 이후 IBM의 공격적인 양자 로드맵에서 핵심적인 역할을 할 것임을 언급했습니다.

Chow는 “확장(scaling)에 대해 이야기할 때, 단순히 프로세서 레벨에서 더 크고 큰 칩을 만드는 것에 관한 것이 아닙니다”라고 말했습니다. “이는 시스템 주변의 모든 인프라와 지원 부품에 관한 것입니다. 이것은 내부의 여러 칩들이 연결될 수 있도록 하는 최초의 공유 초저온 환경입니다. 필요한 모든 고밀도 배선(high-density wiring)을 위한 충분한 공간을 제공합니다. 우리는 진정으로 하나의 통합된 강력한 시스템을 중심으로 전체 시스템을 설계하기 시작하고 있습니다.”

그는 또한 핵심적인 냉각 요구 사항을 해결하는 것이 IBM 과학자들이 미래의 양자 시스템을 더 빠르게 혁신하고 구축할 수 있도록 하여, “학습 주기를 가속화함으로써 우리가 모든 것을 설계하는 과정에서 반복하고 찾아낼 수 있게 하며, 이를 기반 프로세서 및 다른 아키텍처와 공동으로 설계할 수 있게 합니다. 이는 우리가 양자 로드맵에 제대로 맞춰 나갈 수 있게 하고 세계에서 가장 강력한 양자 컴퓨터를 실제로 제공할 수 있게 해줍니다.”라고 덧붙였습니다.

모듈식 디자인은 또한 극저온 시스템을 분리(decoupled)할 수 있음을 의미하여, 고객 현장으로 배송하고 “임의로 큰 규모의 시스템을 구축”하는 것이 더 쉬워진다고 Dial은 말했습니다. 그는 Starling이 약 12개의 연결된 모듈을 갖게 될 가능성이 높다고 덧붙였습니다.

이 모듈들에는 유지보수 및 설치를 위해 열 수 있는 문이 있습니다. 이 문의 가장자리에는 내부의 양자 프로세서를 방해할 수 있는 전자기 복사파(electromagnetic radiation radio waves)를 차단하는 금속 EMI 개스킷과 진공 밀봉을 생성하는 고무 O-링이 포함되어 있습니다. 또한 Dial에 따르면 과학자들이 “초절연체(super insulation)”라고 부르는, 마일라(mylar) 층으로 구성된 열 차폐 시트도 있습니다. 내부에는 점진적으로 낮은 온도를 전달하는 일련의 금속 차폐물과 극저온 장치인 희석 냉장고(dilution refrigerator)가 있습니다.

시스템에 필요한 배선 공간도 충분합니다.

그는 “이 모듈식 디자인의 큰 장점 중 하나는 내부 부피, 즉 우리가 가용하는 배선 공간의 양, 그리고 우리가 가진 냉각 전력을 공동으로 최적화(co-optimize)할 수 있게 해준다는 것입니다.”라고 말했습니다. “이는 IBM Quantum System 1보다 약 12배 더 많은 배선 영역을 가지고 있습니다. 미래의 초복잡하고 정교한 양자 프로세서를 설치하려면 정말로 그것이 필요합니다. 냉장고 안으로 깊숙이 내려갈수록 온도는 점점 차가워지다가, 가장 바닥에 도달하면 양자 프로세서가 설치될 지점에 이르게 됩니다.”

Big Blue는 이들이 보유한 극저온 냉각 엔진 같은 모듈의 많은 구성 요소를 기존 공급업체들로부터 조달하고 있습니다. Chow는 뉴욕 포키프스에 있는 IBM 연구소에서 가동되는 장비 중 일부가 핀란드 헬싱키에 본사를 둔 Bluefors라는 회사 제품이라고 언급했습니다. 이 회사는 양자 컴퓨팅 및 기타 산업에서 사용되는 극저온 제품을 전문으로 합니다. Chow는 이것이 엔지니어링 속도를 높이는 데 도움이 될 것이며, 시간이 지남에 따라 IBM이 시스템을 더 쉽게 유지보수하고 서비스하며 업그레이드할 수 있게 할 것이라고 말했습니다.

모듈식 설계는 또한 IBM의 L-couplers가 한 프로세서에서 다른 프로세서까지 도달해야 하는 공간의 양을 최소화합니다. L-couplers는 2024년에 공개된 개념 증명(proof-of-concept) 다이칩 양자 프로세서인 Flamingo에서 처음 테스트되었으며, 양자 컴퓨터를 확장하는 데 중요한 구성 요소입니다. 이는 양자 칩들을 서로 연결하여 정보 공유 및 통신을 가능하게 하는데, Dial에 따르면 양자 시스템이 규모를 키울수록 중요합니다. 일반적으로 칩 간에 양자 연산을 실행할 때, IBM은 엔탱글먼트(entanglement)를 생성하여 두-큐비트 게이트(two-qubit gates)를 만드는 데 필요한 매우 짧은 거리를 연결하는 온-칩 커플러(on-chip couplers)를 사용합니다.

그는 “L-couplers가 우리가 할 수 있게 하는 것은 동일한 작업을 수행하지만, 최대 약 1미터 길이의 알루미늄 초전도 케이블을 통해 한다는 것입니다”라고 말했습니다. “이것은 우리에게 정말 중요합니다. 왜냐하면 이것이 우리의 모듈식 설계의 기반을 형성하기 때문입니다. 프로세서들을 멀리 배치할 수 있는 능력은 배선 공간을 더 많이 제공하고, 독립적으로 테스트 및 디버깅하고 교체할 수 있는 능력을 제공합니다. 그리고 결정적으로, 이 유닛(union) 모듈 중 하나 이상에 걸쳐 단일 양자 컴퓨터를 가질 수 있게 해주는 능력을 제공하여 모듈 간의 양자 연결을 점프시킬 수 있게 합니다.”

극저온 모듈과 관련해서는, “우리의 미래 시스템이 매우 복잡할 것으로 예상하기 때문에 많은 L-couplers를 구동할 충분한 공간을 확보했습니다”라고 말했습니다. “우리는 극도로 밀집된 상호 연결된 기계를 구축하는 것에 대해 이야기하고 있습니다.”

L-커플러(L-couplers)는 2024년에 공개된 개념 증명용 멀티칩 양자 프로세서인 Flamingo에서 처음 테스트되었습니다.

Chow에 따르면, 올해 후반에는 IBM이 단일 Nighthawk – 작년에 출시된 120큐비트 양자 처리 장치(QPU) (본문 상단의 특징 이미지를 참조하십시오) – 를 두 개의 극저온 장치 각각에 배치하는 시연을 진행할 예정입니다. Dial은 Starling이 도착할 무렵에는 이 모듈들이 약 2,000개의 물리적 큐비트를 담을 수 있을 것으로 예상하며, 이는 약 네 개의 QPU에 해당한다고 말했습니다.

Chow는 냉각 인프라가 IBM이 양자 공간에서 어느 위치에 있는지를 보여주는 상징이라고 말했습니다.

그는 “우리는 내결함성(fault-tolerant) 양자 컴퓨팅의 과학적 기반을 확립했으며, 거기에 도달하기 위해 우리가 지금 하고 있는 큰 부분은 공학적인 측면”이라며, “내결함성을 달성하는 것은 단 하나의 획기적인 발견에 관한 것이 아닙니다. 프로세서부터 소프트웨어 스택, 제어 장치, 인프라, 오류 수정에 이르기까지 전체 생태계 전반에서 우리가 시연하고 있는 수천 가지의 작은 공학적 성과들에 관한 것입니다”라고 말했습니다.