양자우위 및 오류내성 프로세서, 소프트웨어, 알고리즘 발표

[보안뉴스 강현주 기자] IBM이 기존 프로세서 대비 30% 더 복잡한 회로 실행을 가능하게 하는 최첨단 양자 프로세서 ‘IBM 퀀텀 나이트호크’(IBM Quantum Nighthawk)를 발표했다.

IBM은 12일(현지 시각) 미국에서 열린 연례 양자 개발자 컨퍼런스(Quantum Developer Conference)에서 2026년 말까지 양자 우위를 달성하고, 2029년까지 오류 내성 양자 컴퓨팅을 실현하기 위한 핵심적인 기술 혁신을 발표했다.


▲IBM 퀀텀 나이트호크 [자료: IBM]

제이 감베타(Jay Gambetta) IBM 리서치 디렉터 겸 IBM 펠로우는 “실질적으로 유용한 양자 컴퓨팅을 실현하기 위해서는 여러 기반 요소가 필요하다”며 “IBM은 양자 소프트웨어, 하드웨어, 제조, 오류 수정 기술을 빠르게 개발하고 확장하여 양자 시대로의 전환을 가능하게 하는 유일한 기업”이라고 밝혔다.

IBM은 자사의 최첨단 양자 프로세서인 IBM 퀀텀 나이트호크를 공개했다. 이 프로세서는 2026년 양자 컴퓨터가 전통적인 슈퍼컴퓨터보다 더 우수한 문제 해결 능력을 제공하는 ‘양자 우위’에 도달할 수 있도록 고성능 양자 소프트웨어를 보완하게끔 설계됐다.

IBM 나이트호크는 2025년 말까지 IBM 서비스 사용자에게 제공될 예정이다. 120개의 큐비트가 사각 격자 구조 내에서 각각 네 개의 인접 큐비트와 연결되는 게 특징이다. 총 218개의 차세대 조정형 커플러(tunable coupler)로 상호연결 된다.

이 커플러의 수는 IBM 퀀텀 헤론 프로세서 대비 20% 증가한 수치다. 큐비트 연결성 향상으로 기존 프로세서보다 30% 더 복잡한 회로를 낮은 오류율을 유지하면서도 정확하게 실행할 수 있다. 새 아키텍처는 최대 5000개의 2큐비트 게이트를 활용해야 하는 고난도 계산 문제를 처리할 수 있도록 설계됐다. 2큐비트 게이트는 양자 컴퓨팅에서 얽힘 연산을 담당하는 핵심 요소다.

IBM은 나이트호크의 향후 버전들이 2026년 말까지 최대 7500개 게이트, 2027년에는 최대 10000개, 2028년에는 1000개 이상의 큐비트가 원거리 커플러를 통해 연결돼 최대 15000개의 2큐비트 게이트를 지원할 것으로 예상한다.

또한, 2026년 말까지 최초의 ‘검증된 양자 우위’ 사례가 전 세계 연구 커뮤니티에 의해 확인될 것으로 전망하고 있다. IBM은 이러한 검증 과정을 장려하고, 양자 및 고전적 접근 방식의 발전을 촉진하기 위해 알고리드미끄(Algorithmiq), 플랫아이언 연구소(Flatiron Institute), 블루큐비트(BlueQubit)와 함께 오픈 커뮤니티 주도의 ‘양자 우위 추적기’에 새로운 연구 결과를 지속적으로 제공하고 있다. 이 플랫폼을 통해 전 세계 연구자들은 새롭게 발표되는 양자 우위 사례를 체계적으로 모니터링하고 검증할 수 있다.

검증된 양자 우위를 실현하기 위해서는 개발자들이 회로를 정밀하게 제어하고 고성능 컴퓨팅(HPC)을 활용해 연산 과정에서 발생하는 오류를 완화할 수 있어야 한다.

키스킷(Qiskit)은 IBM이 개발한 선도적인 양자 소프트웨어로서 100개 이상의 큐비트 규모에서 정확도를 24% 향상시키는 동적 회로 기능을 확장해 개발자에게 그 어느 때보다 높은 수준의 제어권을 제공한다. 또한 세밀한 제어를 가능하게 하는 새로운 실행 모델과 C-API를 도입해 키스킷을 확장한다. HPC 가속 기반의 오류 완화 기능을 지원함으로써 정확한 결과를 도출하는 데 필요한 비용을 100배 이상 절감했다.

IBM은 C-API를 기반으로 한 C++ 인터페이스를 키스킷에 추가해 사용자가 기존 HPC 환경에서 양자 프로그래밍을 네이티브 방식으로 수행할 수 있도록 지원하고 있다. 또한, 2027년까지 키스킷에 머신러닝과 최적화와 같은 분야의 연산 라이브러리를 추가함으로써 미분방정식 및 해밀토니언 시뮬레이션과 같은 물리·화학 분야의 근본적인 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있도록 지원할 계획이다.

IBM은 2029년까지 세계 최초의 대규모 오류 내성 양자 컴퓨터 구축을 목표로 관련 기술 개발을 가속화하고 있다.

이번에 공개된 IBM 퀀텀 룬(Loon)은 오류 내성 양자 컴퓨팅에 필요한 모든 핵심 프로세서 구성 요소를 구현했음을 처음으로 입증한 실험용 프로세서다. IBM 룬은 실용적이고 고효율의 양자 오류 수정을 위해 필요한 요소를 구현하고 확장하기 위한 새로운 아키텍처임을 입증했다.

룬에 적용될 혁신적인 기술에는 다층의 고품질·저손실 라우팅 층을 도입해, 인접한 커플러(nearest-neighbor coupler)를 넘어 칩 내 멀리 떨어진 큐비트를 물리적으로 연결하는 원거리 온칩 연결 경로(c-coupler)를 구현한 기술과 연산 중 큐비트를 초기화하는 기술 등이 포함된다.

IBM은 오류 내성 양자 컴퓨팅의 또 다른 핵심 축에서도 진전을 이루었다. 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 코드를 활용해 기존 컴퓨터 하드웨어만으로 실시간(480나노초 이내의)으로 정확한 오류 디코딩이 가능함을 입증했다. 이는 예정보다 1년 앞서 달성된 성과다. 룬과 결합될 이 기술은 IBM 양자 컴퓨터의 핵심인 고속·고정밀 초전도 큐비트에서 qLDPC 코드를 확장하는 데 필요한 핵심 기반을 보여준다.

IBM은 양자 컴퓨터의 확장을 추진함에 따라, 뉴욕에 위치한 올버니 나노테크 컴플렉스의 첨단 300mm 웨이퍼 제조 시설에서 양자 프로세서 웨이퍼를 주력 생산한다.

이 시설의 최첨단 반도체 장비와 상시 가동 가능한 환경은 IBM이 양자 프로세서의 성능을 학습·개선·확장하는 속도를 가속화하고 있다. 이를 통해 큐비트 연결성, 집적도, 성능을 향상시키고 있다.

IBM은 △새로운 프로세서 제작에 소요되는 시간을 절반 이상 단축해 연구개발 속도를 2배 향상 △양자 칩의 물리적 복잡도를 10배 증가 △다양한 설계 디자인을 병렬로 연구·탐색 가능 등의 성과를 달성했다고 밝혔다.

[강현주 기자(jjoo@boannews.com)]

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