QuiX Quantum, HPC 데이터센터를 위한 광학 아키텍처 공개

IBM이 5-큐비트 (five-qubit) 양자 프로세서를 클라우드에 올리고 이를 통해 IBM Quantum Experience를 대중이 이용할 수 있게 한 지 10년이 지난 지금, 양자 컴퓨팅 산업은 NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum, 노이즈가 있는 중간 규모 양자) 시대에 확고히 자리 잡았습니다. 클라우드에서 여러 시스템을 이용할 수 있으며 — 우리는 지난달 QuEra의 차기 Libra 시스템이 2028년에 Amazon의 완전 관리형 클라우드 서비스인 Braket에서 데뷔할 계획에 대해 작성한 바 있습니다 — 하지만 현재 이 시스템들은 여전히 매우 민감하며 오류가 발생하기 쉽습니다.

산업계가 다음 단계인 FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computing, 결함 허용 양자 컴퓨팅)를 향해 나아가면서 오류 수정 (error correction)이라는 중대한 과제를 해결하기 위한 진전이 이루어지고 있습니다. FTQC는 논리 큐비트 (logical qubits)를 생성하고 오류 수정에 필요한 중복성 (redundancy)을 제공할 수십만 개에서 수백만 개의 물리 큐비트 (physical qubits)를 포함하는 고급스럽고 견고한 아키텍처를 동반할 것입니다. 수많은 양자 기업들이 FTQC를 위해 조각들을 어떻게 맞출 것인가에 대한 각자의 아이디어를 가지고 이 목표를 향해 나아가고 있습니다.

QuiX Quantum의 경영진과 과학자들은 최근 결함 허용 광학 양자 시스템 (fault-tolerant photonics quantum system)을 위한 계획을 발표했습니다. 이 계획은 필요한 역량들 — 오류 수정 (error correction), 결함 허용 (fault tolerance), 큐비트 성능 (qubit performance) 등 — 을 강조할 뿐만 아니라, 슈퍼컴퓨터, HPC 시스템, 엔터프라이즈 하드웨어와 함께 기존 데이터센터에 완벽하게 적합하고 원활하게 작동하도록 구축된 아키텍처를 통해, 그토록 예고되었던 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅 (hybrid quantum-classical computing) 환경을 조성하는 것을 목표로 합니다.

“양자 컴퓨팅은 새로운 단계에 진입하고 있습니다. 이제 핵심 과제는 단순히 고성능 큐비트 (qubit)를 입증하는 것뿐만 아니라, 실제 컴퓨팅 환경 내에서 배포, 확장, 제조 및 통합될 수 있는 시스템을 구축하는 것입니다.”라고 설립 7년 차인 네덜란드 기업의 연구진은 새로운 Dedalo 아키텍처를 상세히 설명하는 백서 (white paper)에서 밝혔습니다. “범용 양자 컴퓨터 (universal quantum computer)가 폭넓게 채택되려면 과학적으로 유능할 뿐만 아니라 운영 측면에서도 실용적이어야 합니다. 시스템은 미래의 워크로드 (workload)가 실행될 인프라 내에서 배포 가능하고, 제조 가능하며, 유지보수가 가능하고, 경제적으로 확장 가능해야 합니다.”

이는 양자 시스템이 고성능 및 오류 수정된 큐비트 (error-corrected qubit)를 필요로 할 뿐만 아니라, 배포가 용이하고 기존 환경과 호환되며 인프라나 오버헤드 (overhead) 문제를 야기하지 않는 아키텍처 설계도 필요함을 의미합니다. 또한 자원 및 에너지 효율적이어야 하며, 운영뿐만 아니라 생산 측면에서도 확장 가능해야 하고, 설계가 모듈식 (modular)이어야 하며, 하이브리드 데이터센터 (hybrid datacenter)에서 작동할 수 있어야 합니다.

Dedalo 아키텍처의 발표는 QuiX가 올해 안에 유럽 최초의 광자 양자 컴퓨터 (photonic quantum computer)를 개발하기 위해 여러 투자사로부터 약 1,700만 달러를 유치한 지 1년 만에 이루어졌습니다. Dedalo는 이 벤더가 지난 4년 동안 수행해 온 성과를 기반으로 합니다. 여기에는 2022년 독일 항공우주 센터 (German Aerospace Center)에 8-큐비트 및 64-큐비트 광자 양자 컴퓨터를 모두 판매한 것과, 2년 후 Alquor 양자 광자 프로세서 (Alquor Quantum Photonic Processor)를 기반으로 하는 Bia 양자 클라우드 컴퓨팅 서비스 (Bia Quantum Cloud Computing Service)를 통해 자사의 양자 기술에 대한 접근 권한을 제공한 것이 포함됩니다.

보다 최근인 지난달 초, QuiX Quantum은 시스템이 양자 측정 (quantum measurement)에 실시간으로 대응할 수 있도록 돕는 하드웨어 구성 요소인 피드포워드 제어 유닛 (FFCU, Feed-Forward Control Unit, 아래 참조)을 출시했습니다.

이는 해당 기업이 자사 양자 시스템을 위한 제어 계층인 PACU (photonic assembly control unit, 아래 참조)를 공개한 지 2주 만에 나온 소식입니다. 지난 4월, QuiX Quantum은 광학 양자 시스템(photonic quantum system) 최초로 "임계값 미만(below threshold)" 오류 완화(error mitigation)를 입증했다고 밝혔습니다.

QuiX Quantum의 경영진은 촉매 시뮬레이션(catalyst simulations), 분자 역학(molecular dynamics), 머신러닝 (machine learning), 그리고 데이터 분석을 자사 기술의 활용 사례로 꼽고 있습니다. 차세대 시스템은 2027년에 출시될 예정입니다. 유럽 연합 (European Union)은 지난해 2030년까지 해당 블록이 양자 분야의 글로벌 리더가 되기를 원한다고 밝힌 바 있습니다.

큐비트 (qubit)를 생성하는 방법에는 원자나 이온을 사용하는 것 등 여러 가지가 있습니다. 초전도 큐비트 (Superconducting qubits)는 마이크로칩 위의 전기 회로로 구축됩니다. QuiX Quantum은 광자 (photons)를 사용하여 큐비트를 구축하며, 빛의 입자에 정보를 직접 인코딩합니다. 이러한 방식은 QuiX Quantum만의 독자적인 영역은 아니며, PsiQuantum, Photonic Inc., Quantum Computing Inc., 그리고 앞서 언급한 Quantum Pulse 등 다른 광학 양자 컴퓨팅 (photonic quantum computing) 벤더들도 존재합니다.

광학 양자 컴퓨팅의 핵심 과제는 광자 손실 (photonics loss)입니다. 이를 방지하기 위해 QuiX는 논리 큐비트 (logical qubits)로 눈을 돌리고 있습니다. 이는 다른 양자 방식에서 오류 수정 (error correction)을 위해 흔히 사용하는 경로로, 오류가 수정된 논리 큐비트가 여러 개의 물리적 큐비트 (physical qubits)를 결합하여 결함 허용 (fault tolerance)을 구현하는 방식입니다.

논문의 저자들은 "Dedalo는 1세대 시스템으로 인도되는 세계 최초의 논리 큐비트 기반 광학 양자 컴퓨터입니다. 여기서 논리 큐비트는 자원 상태 생성 (resource-state generation), 피드포워드 (feed-forward), 그리고 손실-오류 탐지 및 수정 (loss-error detection and correction)과 같은 광학 양자 컴퓨팅의 고질적인 과제들을 극복함으로써 입증될 것입니다"라고 기술했습니다. 또한 "이는 확장 가능한 광학 양자 컴퓨터를 향한 실질적인 경로를 제공하므로, 결함 허용 범용 양자 컴퓨팅 (fault-tolerant universal quantum computing)을 향한 중추적인 단계입니다"라고 덧붙였습니다.

광자 큐비트 (Photonic qubits)는 다른 게이트 기반 방식 (gate-based modalities)과는 여러 면에서 다릅니다. 광자의 경우, 이중 레일 인코딩 (dual-rail encoding)에서의 얽힘 게이트 (entangling gates)는 확률적 (probabilistic)입니다. 왜냐하면 2비트 게이트가 구현될 때 가끔씩만 성공하기 때문입니다. 또한, 광자는 저장될 수 없으므로 즉시 사용되어야 하며, 그 후에는 파괴됩니다.

저자들은 "이것은 난제를 만들어냅니다"라고 기술했습니다. "게이트가 확률적으로만 성공한다면 어떻게 거대한 얽힘 (entanglement)을 생성할 수 있으며, 정보의 전달자 자체가 파괴된다면 어떻게 정보를 전달할 수 있습니까?"

Dedalo는 측정 기반 양자 컴퓨팅 (Measurement-Based Quantum Computing, MBQC) 프레임워크를 사용하며, 이 방식에서는 고도로 얽힌 다중 큐비트 상태 (multi-qubit state)에 대해 일련의 측정을 수행함으로써 연산을 실행합니다. 광자 자체는 자연적으로 서로 상호작용하지 않으므로, 측정을 사용하여 얽힘을 생성하고 연산을 유도 (steer)합니다. 얽힌 큐비트 그리드 상에서 특정 단일 큐비트 측정이 수행됩니다. 그리드 전체에 걸쳐 일련의 측정이 실행됩니다.

저자들은 "측정 기반 양자 컴퓨팅과 게이트 기반 양자 컴퓨팅은 계산적으로 유사합니다. 특정 컴파일 알고리즘 (compilation algorithms)을 통해 게이트 기반 회로를 MBQC 연산으로, 또는 그 반대로 변환할 수 있습니다"라고 언급했습니다.

Dedalo의 아키텍처는 QuiX Quantum이 세 가지 "주요 시스템 블록 (principal system blocks)"이라고 부르는 것을 기반으로 하며, 여기에서 확인할 수 있습니다:

의사 결정적 (pseudo-deterministic) 광자 생성기가 있는데, 이는 자발적 4광자 혼합 (spontaneous four-wave mixing, SFWM)을 통해 한 쌍의 광자(시그널(signal)과 아이들러(idler))를 생성하는 온칩 마이크로 링 공진기 (on-chip micro-ring resonator)입니다. 이 쌍들은 분리되며, 각 쌍의 아이들러 광자가 검출되면 피드포워드 제어 유닛 (feed-forward control unit, FFCU)이 대응하는 시그널 및 아이들러 광자가 동시에 연산 기본 상태 생성기 (computational primitive state generator) 레이어로 이동하도록 보장합니다.

해당 레이어에서 광자는 상태 생성기 (state generator)를 통과하여 작고 얽힌 상태 (entangled states)를 생성하며, 이후 FFCU를 통과합니다. 검출 결과는 스위칭 네트워크 (switching network)에 제공되며, 이 네트워크는 성공적으로 생성된 프리미티브 (primitives)를 선택하여 범용 양자 프로세서 (universal quantum processor)로 전송합니다. 프로세서는 이 프리미티브 상태들을 융합하여 광자 손실에 내성이 있는 논리 큐비트 (loss-tolerant logical qubit)를 생성하고, 다른 모듈들과 얽히게 하며, 다양한 기저 (bases)에서 논리 큐비트를 측정합니다.

광자 손실로부터 보호되는 논리 큐비트를 통해 결함 허용 광자 양자 컴퓨팅 (fault tolerant photonic quantum computing)을 구축하는 연구는 QuiX Quantum이 추진하는 또 다른 핵심 목표인, 데이터센터 내의 슈퍼컴퓨터 및 엔터프라이즈 시스템과 쉽게 공존할 수 있는 시스템을 만드는 환경 조성의 중요한 부분입니다.

저자들은 "양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨팅 (classical computing)을 대체하는 것이 아니라, 그와 나란히 작동할 것으로 예상되기 때문에 이 점이 특히 중요합니다"라고 기술했습니다. "장기적인 모델은 양자 처리 장치 (QPU)가 고전 IT 및 HPC 시스템과 함께 작동하는 하이브리드 양자-고전 컴퓨팅 (hybrid quantum-classical computing)입니다. 결과적으로 낮은 인프라 부담, 배포의 용이성, 기존 환경과의 호환성, 그리고 관리 가능한 운영 오버헤드 (operating overhead)는 부차적인 고려 사항이 아닌 아키텍처적 요구 사항이 됩니다."

Dedalo의 아키텍처는 바로 그 점을 목표로 합니다. 여기에는 CMOS 호환 실리콘 질화물 광학 집적 회로 (silicon-nitride photonic integrated circuits, PICs)를 기반으로 구축된 하드웨어가 포함되며, 이는 기존의 반도체 제조 공정 및 시설을 통해 생산될 수 있음을 의미합니다. 공급업체에 따르면, 이는 양자 하드웨어의 확장(scaling)을 실용적이고 신뢰할 수 있게 만듭니다.

또한, 광자 양자 컴퓨팅의 일반적인 특성과 마찬가지로, 이 시스템은 상온에서 작동할 수 있어 초전도 (superconducting) 방식과 같은 다른 방식들이 요구할 수 있는 고출력 냉각 장치의 필요성과 추가 비용을 제거하며, 설계의 모듈화 (modularity)를 더욱 용이하게 합니다. 또한 전력 효율성도 더 높습니다.

Dedalo는 또한 기존의 통신 아키텍처 (telecommunications architectures)와도 호환됩니다.

“광섬유 네트워크 (fiber-optic networks)에서 표준으로 사용되는 파장과 부품을 사용하여 작동하므로, QuiX의 광자 양자 시스템 (photonic quantum systems)은 현재의 데이터 센터 및 장거리 통신 네트워크와 원활하게 통합될 수 있습니다,”라고 그들은 밝혔습니다. “이러한 정렬을 통해 광자 양자 컴퓨터 (photonic quantum computers)는 상용 통신 하드웨어의 가용성, 비용 효율성 및 신뢰성을 활용할 수 있습니다.”

이는 또한 대규모 광자 양자 시스템을 배포, 확장 및 유지 관리하는 것이 더욱 실현 가능함을 의미하며, 이를 통해 현재의 데이터 센터 환경에서 실용적이고 호환 가능하게 만듭니다.