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Infleqtion과 Nvidia가 양자 컴퓨터의 물리-논리 큐비트 비율을 줄이다

양자 프로세서(QPUs)와 하드웨어 기본 원리를 넘어선 많은 발전이 양자 컴퓨팅 분야에서 이루어지고 있습니다. 기업들은 아키텍처 영역으로 확장하고 있으며, 이 장치들을 위한 서브시스템들이 통합되고 있고, 양자 소프트웨어 및 알고리즘이 개발되는 한편, 양자 컴퓨팅을 확장 가능하게 만들고 HPC 환경에 통합하려는 노력이 진행되고 있습니다.

그럼에도 불구하고, 양자 컴퓨팅을 연구 단계에서 상업적 실현 가능성으로 가져오는 핵심은 오류 수정(error correction) 과제를 해결하는 것입니다. 큐비트(qubits)는 빛, 소리, 온도 또는 다른 큐비트의 활동과 같은 다양한 '노이즈'로 인해 매우 불안정하여 분리되고 양자 특성을 잃을 수 있으며, 너무 많은 오류를 일으키는 양자 시스템은 상업적으로 실현 가능하지 않습니다. 오류 수정을 개선하기 위해 여러 개의 얽힌(entangled) 물리 큐비트가 그룹화되어 논리 큐비트를 생성합니다.

하지만 여기에는 대가가 따릅니다. 단일 논리 큐비트를 만들기 위해 수천 개의 물리 큐비트가 필요하다는 기술적 어려움부터 냉각 및 제조 비용, 그리고 노이즈 증가까지 고려해야 합니다. 따라서 물리 큐비트당 논리 큐비트의 수를 줄이는 것이 중요합니다.

Quantinuum 임원들은 올해 초 다음과 같이 작성했습니다. “물리학의 비공식적인 법칙은 '공짜 점심은 없다'는 것입니다.”라고 말하며, “고품질의 낮은 오류율 논리 큐비트를 생성하는 것은 종종 많은 물리 큐비트가 필요하여, 아무리 새로운 기록적인 낮은 오류율을 달성하더라도 실행할 수 있는 계산의 크기를 줄이는 결과를 초래합니다.”

연구원들과 표준화 그룹들은 논리-물리 큐비트 비율을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 공급업체들 역시 진전을 보이고 있습니다. Qarakal Quantum의 양자 소프트웨어 디렉터인 Sheir Yarkoni는 The Next Platform에 이 스타트업의 새로운 Pangaea 아키텍처가 물리적 큐비트 요구 사항을 10분의 1로 줄일 것이라고 말했습니다. D-Wave 역시 개발 중인 듀얼 레일 초전도 시스템에 대해 같은 내용을 언급했으며, Quantinuum은 지난 3월 발표한 논문에서 98개의 물리적 큐비트를 사용하여 48개의 오류 수정 및 64개의 오류 감지 논리 큐비트를 생성하는 기술을 상세히 설명했습니다.

이번 주 토론토에서 열린 IEEE Quantum Week 행사에서 Infleqtion 임원들은 오픈 소스 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 소프트웨어 라이브러리와 쇼에서 공개된 논리 오케스트레이션 및 컴파일러 계층인 Nvidia의 새로운 CUDA-Q Logical을 통합함으로써, 98개의 물리적 데이터 큐비트를 사용하여 18개의 논리 큐비트를 사용하는 검증된 고율 양자 오류 수정 코드를 구축했으며, 이는 논리 큐비트당 약 5.4개의 물리적 큐비트에 해당하며 18.4%의 인코딩률을 달성했다고 밝혔습니다.

Infleqtion은 자신의 Sqale 시스템(아래)에서 중성 원자(neutral atoms)를 사용하여 큐비트를 생성하는데, 이 회사의 임원인 Victory Omole은 보고서에서 공급업체 측의 선임 양자 연구 엔지니어로서, Nvidia의 CUDA-Q Logical 소프트웨어 초기 접근 버전을 사용하여 하이퍼그래프-곱 심플렉스(HGPS) 코드 블록을 구축하고 안정화기(stabilizers)와 논리 연산자(logical operators)를 생성하며 필요한 근본 대수학(underlying algebra)을 배치했다고 작성했습니다. 이 코드는 또한 특정 유형의 물리적 오류를 감지하는 데 사용되는 가중치 6개짜리 X 검사 49개와 Z 검사 49개를 포함하고 있습니다.

qLDPC 소프트웨어에 의해 반환된 정규 논리 표현(canonical logical representatives)은 가중치 4를 가집니다.

오멜(Omole)은 “많은 친숙한 QEC 구성 방식들이 각 논리 큐비트마다 많은 수의 데이터 큐비트를 할애한다”고 언급했다. “고속 qLDPC 코드는 각각의 안정자 검사(stabilizer check)를 희소하게 유지하면서 하나의 블록에 여러 개의 논리 큐비트를 인코딩함으로써 그 산술을 바꾼다. 매력은 분명하다. 나머지 아키텍처가 협조한다면, 기계의 더 많은 부분이 유용한 논리 정보를 담을 수 있게 된다.”

이 문장에서 작업하는 부분은 “나머지 아키텍처가 협조한다”는 것이다. 오멜이 쓴 것처럼, 물리-논리 큐비트 비율과 같은 숫자들은 좋지만, 양자 컴퓨팅 아키텍처의 다른 요소들 – 신드롬 보조 큐비트(syndrome ancilla qubits) (오류 신드롬 측정을 수행하는 데 사용됨), 스케줄링, 판독(readout), 제어, 그리고 클래식 디코딩 등 – 은 이 숫자들을 시스템 스택 전체에 걸쳐 유지하도록 보장해야 한다.

바로 여기에 CUDA-Q Logical이 등장한다. Infleqtion의 gLDPC 소프트웨어는 코드의 근간이 되는 수학을 제공한다.

그는 “CUDA-Q Logical은 논리적 소유권(logical ownership), 블록 할당, 그리고 컴파일 모델을 공급한다”고 썼다. “CUDA-Q Logical의 코드 인터페이스는 희소 행 지원(sparse row supports)을 받는다. 작은 어댑터가 밀집된 NumPy 배열을 변환한 후, qLDPC 소프트웨어로 생성된 검사 및 논리 연산자는 18포트 CUDA-Q Logical 코드로 선언될 수 있다.”

gLDPC와 CUDA-Q Logical을 함께 사용함으로써 Infleqtion 엔지니어들은 코드 구축과 구조 검증에 성공했고, 이는 컴파일러 파이프라인 생성으로 이어졌다. 엔지니어들은 이 파이프라인에서 나오는 블록은 단일 인코딩된 구조 안에 여러 논리 큐비트를 담고 있음이 확인되었다고 쓰면서, 이 파이프라인은 Infleqtion의 양자 소프트웨어 수석 과학자인 프레드 청(Fred Chong)이 수행한 아키텍처 연구를 기반으로 구축되었다고 덧붙였다.

Infleqtion과 Nvidia 기술의 통합은 물리-논리 큐비트 비율을 줄였을 뿐만 아니라, 안정자(stabilizer) 행렬 및 X와 Z 검사가 교환 가능하며, CUDA-Q 코드가 18개의 논리 포트와 각각 49개의 X 및 Z 검사를 갖도록 했습니다. 또한 컴파일된 워크플로우는 단일 인코딩 블록 내에 두 개의 독립적인 논리 큐비트 소유권을 보장합니다.

Omele은 “이 통합은 코드 구성, 논리적 소유권, 그리고 컴파일에 초점을 맞추고 있습니다. 향후 작업에서는 물리적 증후군 추출(physical syndrome extraction), 중성 원자 노이즈 모델링(neutral-atom noise modeling), 검출기 생성(detector generation), 및 디코더 벤치마킹(decoder benchmarking)을 통해 이 워크플로우를 확장할 계획입니다.”라고 작성했습니다.

청(Chong)의 연구실에서의 작업은 병렬 연산과 유연한 연결성 덕분에 고속 qLDPC 코드에 적합한 재구성 가능한 중성 원자 배열에 초점을 맞추고 있습니다.

그는 “우리 팀에게 주어진 기회는 이러한 약속을 실제 머신 모델을 통해 추적하는 것입니다. 이는 보조 큐비트(ancillas)가 어디에 위치하는지, 원자가 어떻게 이동하는지, 어떤 검사가 병렬로 실행될 수 있는지, 판독 과정에서 누설(leakage)과 손실이 어떻게 발생하는지, 그리고 클래식 디코더가 증후군 스트림을 따라잡을 수 있는지를 고려한다는 의미입니다. 논리적 성능은 하드웨어, 제어, 컴파일, 그리고 클래식 컴퓨팅의 조정으로부터 나옵니다.”라고 썼습니다.

Infleqtion은 2007년에 설립되었으며, 원래 콜로라도 대학교(University of Colorado)의 원자 물리학 연구에서 ColdQuanta라는 이름으로 시작하여 2022년에 Infleqtion으로 리브랜딩되었습니다. 이 회사의 계획에는 2030년까지 1,000개 이상의 논리 큐비트를 달성하는 공격적인 로드맵이 포함되어 있습니다.

Nvidia와 CUDA-Q Logical 소프트웨어를 활용한 작업은 이 회사가 바쁜 한 해를 보내면서 진행한 일련의 과정 중 가장 최근 단계일 뿐입니다. 최근 사건들로는 최초의 우주 기반 양자 중력 센서를 비행할 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 '양자 중력 그래디오미터 패스파인더(Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder)' 개발을 위한 2,000만 달러 규모의 후속 계약 체결, 콜로라도 양자 혁신 센터 개관, 그리고 AI를 활용한 연구 및 혁신 가속화를 목표로 하며 세계 최초의 내결함성 양자 컴퓨터 배치를 포함하는 에너지부(Department of Energy)의 '제네시스 미션(Genesis Mission)'에서 세 건의 프로젝트 수주가 있습니다.

지난주 Infleqtion 임원들은 또한 회사의 중성 원자 양자 시스템 및 센서를 Cisco Systems의 양자 네트워킹 포트폴리오와 결합하여, 네트워크 시스템을 통해 양자 컴퓨팅을 확장하는 공동 R&D 노력을 발표했습니다. Cisco는 작년에 이미 양자 네트워크 아키텍처의 기반을 다지기 시작했으며, 지난 4월에는 서로 다른 방식(modality)과 양자 센서를 사용하는 다양한 공급업체의 양자 시스템들을 연결하기 위한 작동 프로토타입인 '범용 양자 스위치(Universal Quantum Switch)'를 공개했습니다.

Infleqtion 엔지니어들은 중성 원자가 빛의 입자인 광자(photon), 즉 네트워크를 통해 양자 정보를 전달하는 데 사용되는 입자와 자연스럽게 상호 작용한다는 점을 지적하며, 이로 인해 자사의 시스템이 이러한 네트워크에 연결되고 Cisco가 구상하는 방식 비종속적(modality-agnostic) 네트워크 아키텍처 내에서 작동하는 데 매우 적합하다고 언급했습니다.