QuEra의 Libra 결함 허용 (Fault-Tolerant) 양자 시스템, AWS Braket 서비스 출시 예정

QuEra의 최고 상업 책임자(Chief Commercial Officer)인 Yuval Boger에 따르면, 급격히 발전하는 양자 컴퓨팅 산업은 두 가지 중요한 단계를 빠르게 지나 이제 세 번째 단계로 확고히 진입했습니다. 첫 번째 단계는 단 5개의 큐비트 (qubits)만 있는 시스템이라 할지라도 양자 시스템을 구축할 수 있음을 보여주는 것이었습니다.

그것이 증명된 후, 시스템 제조사들이 직면한 다음 질문은 오류를 수정할 수 있는지 여부였습니다. 이는 오류를 많이 생성하는 양자 시스템은 유용하지 않기 때문에 매우 중요한 테스트였습니다. 우리가 기술했듯이, Microsoft와 Google부터 QuEra 등에 이르는 기업들이 이제 가능하다고 말할 정도로 오류 수정 (error correction) 분야에서 상당한 진전이 있었습니다.

"세 번째이자 흥미로운 단계는 '규모를 확장할 수 있는가? 유용한 문제를 실행할 수 있을 만큼 충분히 많은 수의 큐비트 (qubits)를 확보할 수 있는가?'입니다."라고 Boger는 The Next Platform에 말했습니다. "최종 고객에게 질문은 항상 '실제로 유용한 단계까지 얼마나 남았는가? 현재 위치와 필요한 위치 사이의 간극은 무엇인가?'였습니다. 그 간극은 실제 사용에 도달하기까지의 시간 측면에서 매우, 매우 빠르게 좁혀지고 있습니다."

양자 시스템은 더 많은 논리적 (logical) 및 물리적 (physical) 큐비트와 함께 계속 진화하고 있으며, 향후 10년까지 이어지는 로드맵이 수립되어 결함 허용 (fault-tolerant) 및 확장 가능한 상업용 컴퓨터의 다가올 시대를 예고하고 있습니다.

QuEra는 이번 주 새로운 양자 시스템인 Libra를 발표하며 다음 단계가 공개됩니다. Libra는 Amazon Web Services의 Braket 서비스에 호스팅될 예정입니다. Braket은 개발자와 연구자들이 초전도 (superconducting) 및 트랩된 이온 (trapped ions)부터 중성 원자 (neutral atoms)에 이르기까지 다양한 모달리티 (modalities)에 걸쳐 양자 알고리즘을 구축하고 실행할 수 있는 통합 플랫폼 역할을 하는 완전 관리형 클라우드 서비스입니다. 중성 원자 시스템인 Libra는 QuEra의 첫 번째 결함 허용 (fault-tolerant) 양자 컴퓨터가 될 것이며, 2028년에 Braket에 출시될 예정입니다.

이는 QuEra가 2022년 11월 AWS에 출시한 양자 컴퓨터인 Aquila의 뒤를 잇는 것입니다. Aquila는 보스턴에 위치한 256개의 물리적 큐비트 (physical-qubit) 시스템으로, 프로그래밍 가능한 중성 루비듐 원자 (neutral Rubidium atoms) 배열을 기반으로 합니다. 이 시스템은 Braket에서 주당 130시간 동안 사용할 수 있습니다.

Libra는 AWS와 새롭게 확장된 QuEra의 파트너십에서 선보이는 첫 번째 시스템입니다. QuEra에 따르면, Libra는 100만 번의 신뢰할 수 있는 논리적 양자 연산 (logical quantum operations)을 수행할 수 있는 megaquop-class 시스템입니다. 이는 논리적 큐비트 (logical qubits) 수의 중요성뿐만 아니라, 오류가 계산을 압도하기 전에 얼마나 많은 연산을 실행할 수 있는지를 보여주는 중요한 지표입니다.

논리적 큐비트 (Logical qubits)는 오류를 감지하고 수정하기 위해 여러 개의 물리적 큐비트 (physical qubits)를 그룹화하여 생성됩니다. Libra는 QuEra의 중성 원자 (neutral-atom) 프로세스를 통해 생성될 10,000개에서 15,000개의 물리적 큐비트로 구축된 256개 이상의 논리적 큐비트를 보유하게 될 것입니다. 또한 10⁻⁶의 논리적 오류율 (logical error rate)을 가질 예정인데, 이는 논리적 큐비트에서 수행되는 100만 번의 양자 연산당 평균적으로 단 한 번의 오류만 발생함을 의미합니다. 이를 통해 시스템은 초기 단계의 실질적인 상업적 및 연구용 작업들을 지원할 수 있을 것입니다.

물리적 큐비트 (physical qubits)의 수는 현재 양자 기업들이 사용 중인 수백 개 단위에서 크게 도약하는 수치이지만, Bogar는 업계가 이러한 큐비트 수에만 집중하는 것은 핵심을 놓치는 것이라고 말했습니다.

“진정한 지표는 얼마나 많은 양질의 큐비트, 즉 오류 수정된 큐비트(error-corrected qubits)를 보유하고 있으며, 그것들이 실제로 얼마나 우수한가 하는 점입니다,”라고 그는 말했습니다. “큐비트의 수는 당연히 여러분이 만들 수 있는 애플리케이션의 폭(breadth)에 대해 이야기해 줍니다. 즉, 큐비트가 많을수록 더 많은 변수를 다룰 수 있습니다. 오류율(error rate)은 회로의 깊이(depth), 즉 얼마나 긴 계산을 실행할 수 있는지를 알려줍니다. 물리적 큐비트(physical qubits)의 경우, 최첨단 기술 수준은 1,000번의 연산 중 999번은 정확한 결과에 도달하고 1번은 잘못된 결과를 내놓는 정도입니다. [그것이] 별거 아닌 것처럼 보일 수 있지만, 만약 50만 단계가 있는 진지한 알고리즘을 실행하고 싶다면, 1,000단계마다 오류가 발생하는 것은 명백히 사용성을 완전히 망가뜨립니다. 항상 쓰레기 같은 결과(junk)를 얻게 될 것이 보장되기 때문입니다. 이제 우리가 100만 번 중 1번의 오류를 내는, 즉 100만 번 중 999,999번은 정확한 컴퓨터를 갖게 되었다는 것은 더 길고, 더 정교하며, 더 진지한 알고리즘을 실행할 수 있는 능력을 부여합니다.”

또한 Bogar는 Libra가 중성 원자(neutral-atom) 컴퓨팅의 경제성도 제공할 것이라고 말했습니다. 원자들은 레이저에 의해 제자리에 고정되므로, QuEra의 시스템은 상온에서 작동할 수 있습니다. 다른 방식(modalities)들은 값비싸고 전력을 많이 소모하는 극저온(cryogenic) 또는 기타 냉각 시스템이 필요한 반면, Libra는 샹들리에 모양의 다른 양자 컴퓨터들과는 달리 표준 19인치 랙에서 작동할 수 있습니다.

하지만 Bogar는 초전도(superconducting), 이온 트랩(trapped ions), 광학(photonics)과 같은 다른 방식들도 탐구될 필요가 있다고 말하며, 일부 워크로드는 다른 아키텍처에서 가장 잘 실행될 수 있다고 덧붙였습니다. 초전도 방식에 집중해 온 Google은 지난 3월, 중성 원자를 포함하도록 양자 작업을 확장하고 있다고 밝혔습니다.

QuEra가 화학 및 재료 산업 등의 시뮬레이션 계산에서 특히 유용할 것이라고 믿는 Libra는, 최근 몇 년간 업계에서 이루어진 혁신의 결과물입니다. 이러한 혁신은 상업적이고 결함 허용(fault-tolerant) 가능한 양자 컴퓨팅을 향한 여정을 가속화하고 있으며, Bogar는 이를 가능하게 하는 세 가지 핵심 진보를 언급했습니다.

“첫 번째 이유는 양자 컴퓨터가 더 좋아졌기 때문입니다,”라고 그는 말했습니다. “더 많은 큐비트(qubits), 더 나은 큐비트를 얻게 되면서 목표로 하는 지점에 더 가까워지고 있습니다. 두 번째는 양자 오류 정정 (quantum error correction) 분야에서 매우, 매우 큰 발전이 있었다는 점입니다. 구체적으로, 양자 오류 정정의 핵심 개념은 여러 개의 물리적 큐비트 (physical qubits)를 사용하여 오류로부터 보호되는 논리적 컴퓨터 (logic computer)를 만드는 것입니다. 불과 2년 전만 해도, 표면 코드 (surface code)라고 불리는 코드를 사용할 것이라는 가정이 지배적이었습니다. 사람들은 물리적 큐비트와 논리적 큐비트 사이의 비율이 아마 1,000 대 1 정도가 될 것이라고 말했습니다. 즉, 오류가 정정된 1,000개의 큐비트가 필요하다면, 아마 100만 개의 물리적 큐비트가 필요할 것이라는 뜻이었습니다.”

그럼에도 불구하고, 최근 연구에 따르면 신뢰할 수 있는 논리적 큐비트 (logical qubit)를 구축하는 데 필요한 물리적 큐비트의 수가 수백 개 또는 수천 개 정도로 훨씬 적을 수 있음을 보여주고 있습니다. 지난 4월 QuEra, Harvard, MIT가 발표한 논문에 따르면 단 2개의 물리적 큐비트만으로도 가능할 수 있다고 나타났으며, Bogar는 이를 “거대한 오버헤드 (overhead) 개선”이라고 언급했습니다.

세 번째 발전은 알고리즘에 필요한 큐비트의 수도 줄어들고 있다는 점입니다. 초기에는 쇼어 알고리즘 (Shor’s Algorithm)에 따라 100만 개의 큐비트가 필요하다고 결정되었습니다.

“그 후 누군가가 ‘50만 개만 사용하는 트릭을 찾아냈다’라고 말했습니다. 그러자 또 다른 사람이 ‘10만 개만 있으면 된다’라고 나왔습니다,”라고 그는 말했습니다. “이제는 겨우 2만 또는 3만 개의 큐비트만 있으면 되는 수준입니다. 따라서 갑자기 컴퓨터 성능이 좋아지고 있습니다. 알고리즘이 더 적은 오류 정정을 요구하게 되어 효율성이 높아졌고, 이로 인해 우리는 진정으로 유용한 애플리케이션이 아마도 2년 정도밖에 남지 않았다고 생각하는 지점으로 수렴하고 있습니다.”

QuEra의 Libra 발표는 Alice & Bob이 Helium 양자 시스템 (Helium Quantum System)을 공개한 지 며칠 만에 이루어졌습니다. 이 시스템은 일반적인 이산 입자 (discrete particles) 대신 빛의 양자 상태 (quantum states of light)에 정보를 인코딩함으로써 결함 허용 (fault-tolerance) 기능이 내장된, 단 18개의 물리적 캣 큐비트 (cat qubits)를 사용하는 유럽 기업 최초의 논리적 큐비트를 포함할 예정입니다.

Helium Quantum System은 해당 벤더(vendor)에게 있어 한 단계 도약하는 단계로, 캣 큐비트 (cat-qubit) 칩 개발에서 벗어나 케이블링, 제어 전자 장치 (control electronics), 그리고 소프트웨어 스택 (software stack)을 갖추어 현장에 배치(on-premises) 가능하며 오류 수정 (error correction)에 최적화된 완전한 양자 시스템을 제공하는 방향으로 전환하는 것입니다.

Alice & Bob의 로드맵에는 여러 개의 논리적 큐비트 (logical qubits)를 포함할 예정인 차세대 48 캣 큐비트 칩을 지원할 수 있는 양자 시스템이 포함되어 있습니다. Helium Quantum System을 구동하는 데에는 약 40킬로와트 (kW)의 전력이 필요한데, 회사는 이것이 기술 배치의 비용을 낮춰줄 것이라고 밝혔습니다.