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양자 스타트업 Qarakal, Pangaea 아키텍처로 클래식 시스템에서 교훈을 얻다

오류 수정(error correction)과 인프라부터 소프트웨어 및 알고리즘에 이르기까지 양자 컴퓨팅의 발전은 계속 쌓이고 있으며, 한때 이론적이었던 컴퓨팅 패러다임이 완전한 내결함성(fault-tolerant), 유용하고 실질적인 잠재력에 도달했을 때 어떤 모습일지 그 시야를 날카롭게 하고 있습니다. 아키텍처가 이 모든 것에서 중심적인 역할을 할 것이며, 지난 몇 달 동안 보았듯이 양자 컴퓨팅의 이 측면에 대한 초점은 가속화되고 있습니다.

최근에는 어닐링(annealing) 양자 시스템을 다루는 D-Wave 과학자들이 벤더의 듀얼 레일 초전도체 아키텍처로 수행하는 작업, 그리고 QuiX Quantum이 내결함성 광학 기반 시스템용 Dedalo 아키텍처를 도입하여 Carina 상용 시스템으로 상당한 발전을 이루고 있는 것까지 포함됩니다.

2024년 이스라엘에서 설립된 스타트업 Qarakal Quantum의 공동 창립자이자 최고 기술 책임자(CTO)인 Nadav Katz는 양자 컴퓨팅 주변에 아키텍처를 개발하는 데 투입되는 노력이 놀라운 일이 아니라고 말합니다. 그는 아키텍처 작업이 양자 공간의 성숙도가 높아지고 있음을 보여주며, "양자 컴퓨터가 단순히 만들고 어떤 종류의 마법 같은 프로그래밍으로 완전한 컴퓨팅 시스템에 수렴하기를 바라는 큐비트 더미가 아니라, 실제로 작동하는 컴퓨터라는 인식이 생기고 있다"고 The Next Platform에 전했습니다.

아키텍처는 양자 컴퓨팅을 기관 및 벤더 연구실과 클라우드 환경에서 상업 공간으로 이동시키는 데 핵심적일 것이며, 클래식 엔터프라이즈 및 슈퍼컴퓨터와 데이터센터 내에 배치될 수 있는 모듈식이고 확장 가능하며 효율적인 시스템을 만들 것입니다. 아키텍처와 하드웨어에 초점을 맞추는 것은 또한 정보가 어떻게 처리되고 산업이 실제 양자 시스템을 프로그래밍하는 방법에 대해 어떻게 생각해야 하는지에 대한 더 깊은 질문과 연결됩니다.

그는 "현재 양자 컴퓨팅의 공포의 대상은 '이런 식으로 거대한 단일 구조(monolithic architecture)를 만들고, 그냥 칩렛을 연결해서 성장하는 평면적인 무언가를 갖게 하자'라고 말하는 식의 아키텍처"라고 말합니다. "우리가 보기엔, 이건 고전 컴퓨팅이 어떻게 파생되었는지와 유사해요. 아주 거슬러 올라가서 Turing까지 가보면, 그건 큐비트(qubit)가 아니라 비트(bits) 더미였어요. 그냥 비트 더미 위에서 무언가를 처리하는 매우 비효율적인 프로그래밍이 돌아다니는 식이죠. 이건 좋은 이론적 틀이지만, 실제 시스템은 아니에요. 실제로 효과를 본 건 Von Neumann 아키텍처였는데, 기본적으로 — 몇 가지 흥미로운 최근 수정 사항을 거쳐 — 우리가 오늘날까지 사용하는 것이죠. "

고전 컴퓨팅의 진화와 양자 컴퓨팅이 발전하는 데 필요한 것 사이의 비교는 Qarakal의 비전 전체를 관통합니다. Katz는 Von Neumann 아키텍처가 시스템 내의 전문화(specialization)와 통신에 기반한다고 언급합니다. 이것이 Qarakal이 초전도 양자 시스템을 위해 가진 비전이며, 공급업체가 최근 공개한 Pangaea 아키텍처의 근본적인 동력입니다. Pangaea 자체는 회사가 이기종 코드 및 기능성(heterogeneous code and functionality)을 가능하게 하는 전문화 방향으로 나아가려는 더 큰 노력의 일부이며, 여기서 한 단계 발전한 것이 바로 양자 버스(quantum bus)의 도입입니다. 이는 모듈식이고 확장 가능한 양자 컴퓨터 개발을 추진하는 통신 다리 역할을 합니다.

고전 컴퓨팅 세계에서 모듈성과 확장성은 시스템 구성 요소들 — 프로세서, 메모리, 스토리지 및 다양한 주변 장치(peripherals) — 이 통합적인 방식으로 함께 작동할 수 있게 된 후에야 찾아왔습니다. Qarakal 임원들은 이것이 마더보드(motherboards), 백플레인(backplanes), 버스(buses)와 같은 표준화된 통신 인터페이스 덕분에 가능해졌다고 주장합니다. 양자 아키텍처 역시 유사한 발전이 필요한 지점에 와 있습니다.

Qarakal의 양자 버스(quantum bus)는 Pangaea의 기초적인 요소로서 더욱 모듈화되고 확장 가능한 시스템을 위한 길을 열어줍니다. 양자 버스라는 아이디어 자체가 새로운 것은 아니지만, Qarakal 설계의 유연성—서로 다른 코드와 다양한 유형의 모듈을 가진 논리 큐비트(logical qubits) 간에 내결함성 논리 연산(fault-tolerant logical operations)을 수행할 수 있는 능력과, 논리 큐비트가 물리적으로 인접할 필요성을 제거하는 것—이 단순히 더 많은 큐비트를 추가하는 것을 넘어 확장성을 이끌어내는 핵심입니다.

Qarakal 경영진에 따르면, 현재의 양자 시스템은 국소적인 연결성(local connectivity)과 논리 큐비트 간의 물리적 인접성을 요구하는 복잡한 모놀리스(monoliths) 형태를 하고 있습니다. 이들은 이러한 설계가 양자 컴퓨팅을 비용이 많이 들고 확장하기 어렵게 만든다고 주장합니다. 큐비트들이 단일 레이아웃에 걸쳐 복제되며, 이는 모든 큐비트가 모든 기능을 수행해야 함을 의미합니다. 결과적으로 계산(computation)과 통신 및 오류 수정(error correction)이 긴밀하게 연결되어 있어 구성 요소들을 개별적으로 확장할 수 없습니다.

Qarakal이 만든 양자 버스는 고전 시스템에서 버스(bus)가 하는 것과 같은 역할을 합니다. 이는 양자 정보에 대한 범용 인터페이스이며, 인접할 필요가 없는 큐비트들을 처리할 수 있습니다. 각 큐비트가 동일한 코드를 공유해야 할 필요 없이 그 오류 수정 방식에 적응할 수 있습니다. Qarakal의 양자 소프트웨어 디렉터인 Sheir Yarkoni는 초전도 큐비트(superconducting qubits)의 경우, 최적의 오류 수정 코드(error correcting code)를 찾아 이를 사용하여 양자 시스템을 구축하는 것이 필요하다고 말합니다. 일부 코드는 높은 인코딩률(encoding rate)을 가지고 있어 논리 큐비트당 적은 물리적 큐비트를 사용하지만, 물리적 연결성이나 많은 연산과 같은 비용이 따릅니다. 반면, 평면 코드(planar codes)와 같은 다른 코드는 작동하기가 더 간단하고 확장 가능한 로직을 가지지만, 2차원적이며 논리 큐비트 하나당 더 많은 물리적 큐비트를 요구합니다.

“양자 버스(quantum bus)를 발명함으로써 우리가 제공하려는 것은 서로 다른 코드들 사이에서 선택해야 하는 이러한 필요성을 완화하는 것입니다,” Sheir는 The Next Platform에 말합니다. “만약 메모리 밀도가 높고 작동 속도는 느린 장치, 즉 클래식 컴퓨터의 하드 디스크라고 생각할 수 있는 것을 구축하고 싶고, 또 다른 코드는 매우 가볍고 작동 속도는 빠하지만 메모리가 많지 않은 것, 클래식 컴퓨팅에서 RAM에 해당하는 종류라면, 우리는 그 둘 중 하나를 선택해야 하는 컴퓨터를 만들고 싶지 않습니다.”

그는 전통적인 기계와 마찬가지로 목표가 “자신의 부분들의 합보다 큰 [통합] 시스템을 구축하는 것”이라고 말합니다. “양자 버스가 그것을 가능하게 합니다.” 그는 계속해서 “우리가 아키텍처(architecture), 양자 버스(quantum bus)라고 말하고, 모듈성(modularity), 구성성(composability)이라는 단어를 사용할 때, 우리는 실제로 Von Neumann의 돌파구가 클래식 컴퓨팅에 가져왔던 것과 동일한 컴퓨팅 원칙들을 통해 그것들을 바라보고 있으며, 이를 변형시켜 양자 컴퓨팅에서도 같은 돌파구를 가능하게 하고 있습니다.”

양자 버스는 즉각적이고 가시적인 이점을 제공합니다. Pangaea 아키텍처는 다른 접근 방식이 필요로 하는 물리적 큐비트의 1/10만 요구하며, Katz에 따르면 이는 훨씬 적은 인프라를 의미하여 단순히 큐비트가 적을 뿐만 아니라 배선도 적고, 에너지 소비량도 낮으며, 노이즈도 적다는 것을 의미합니다.

그는 양자 버스가 오류 축적 속도를 늦춰주기 때문에, 양자 시스템에서 논리 정보를 저장하는 데 필요한 논리 큐비트(logical qubits)가 더 작을 수 있다고 말합니다.

“기존 아키텍처(conventional architectures) – 우리가 비교하고 이 10배의 계수를 얻는 모놀리식 아키텍처(monolithic architecture)에서 많은 [큐비트] 노력이 단지 무언가를 옮기는 데에만 쓰입니다,”라고 Katz가 말합니다. “이것은 오버헤드를 만들고 임계값(threshold)을 낮추며 오류 허용성(fault tolerance)을 달성하기 더 어렵게 만듭니다. 여기서는 큐비트에서 더 많은 논리 연산(logical operations)을 얻기 때문에, 훨씬 효율적이며 오류 허용성에 더 빨리 수렴합니다.”

Sheir는 “오류가 훨씬 느리게 누적되기 때문에, 양자 컴퓨터에 논리 정보를 저장하는 데 필요한 논리 큐비트(logical qubits)의 크기가 훨씬 작을 것으로 예상할 수 있다”고 덧붙입니다.

그가 말하기를, 축적되는 것은 이점들입니다.

Pangaea 아키텍처와 양자 버스(quantum bus)의 도입은 Qarakal이 제시한 세 단계 로드맵의 일부이며, 올해 첫 번째 초점은 구성 요소 및 기능 통합에 맞춰져 있습니다(아래). 시스템 배포는 2028년으로 목표하고 있으며, 시스템 확장은 그로부터 2년 후에 이루어질 예정입니다.