Nature Cover: 양자 컴퓨터의 실용화까지는 아직 2년이 걸립니다.

IBM은 이르면 2년 안에 양자컴퓨터가 실용화될 것이라고 발표했습니다!

IBM 팀은 Eagle 양자 프로세서에서 자성 물질의 동작을 성공적으로 시뮬레이션했습니다.

이는 양자컴퓨팅 실용화의 가장 큰 장애물이 해결되었음을 의미합니다.

Δ"Eagle" 칩이 탑재된 양자 컴퓨터

이 장애물을 "양자 잡음"이라고 하며 계산 결과에 오류가 발생합니다.

연구팀은 프로세서의 각 큐비트의 소음을 하나씩 측정하여 소음이 없는 상태에서 시스템의 상태를 추론했습니다.

팀은 관찰과 추측을 바탕으로 새로운 "오류 완화" 기술을 개발했습니다.

이 기술을 사용하여 팀은 127큐비트 Eagle 프로세서에서 복잡한 작업을 성공적으로 수행했습니다.

IBM 양자 R&D 부서의 상임 이사인 Sarah Sheldon은 양자 컴퓨터를 사용하여 이전에는 해결할 수 없었던 몇 가지 문제를 해결하는 것을 상상할 수 있다고 말했습니다.

해당 논문이 네이처 최신호에 게재되어 표지를 장식했습니다.

이 연구 결과는 네이처 팟캐스트 최신호에도 소개되었습니다.

쇼에서 진행자는 IBM의 행보가 “매우 용감하다”면서도 양자컴퓨팅이 낙관적이지 않은데도 “결정적인 증거가 있다”고 논평했다.

IBM은 올해 말 1121큐비트 콘도르 칩도 출시할 예정입니다.

잡음을 제거할 수 없다면 그냥 취소하세요

양자 얽힘 효과로 인해 양자는 0과 1의 두 가지 방식으로 존재할 뿐만 아니라 중첩 상태로도 존재합니다.

이로 인해 양자 연산의 효율성은 0과 1의 두 가지 상태만 있는 기존 컴퓨터보다 이론적으로 훨씬 더 높습니다.

그러나 실제로 양자컴퓨터는 실용화되지 못했습니다.

이유는 좀 말이 안나오네요. 양자컴퓨팅은 빠르지만 오류율도 매우 높습니다.

오류의 원인은 양자 잡음입니다.

하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 환경은 항상 변동하는 에너지로 가득 차 있으며 온도가 절대 영도까지 낮아도 제거할 수 없습니다.

양자 입자의 끝없는 변동으로 인해 서로 뭉치고 충돌하게 됩니다. 이것이 양자 소음의 원인입니다.

단일 양자의 경우 노이즈로 인한 오차가 높지 않을 수 있습니다(1% 미만).

하지만 양자컴퓨터는 수많은 양자로 구성된 복잡한 시스템이고, 중첩 후에는 각 양자에서 발생하는 오류가 무시할 수 없을 정도로 커집니다.

IBM은 양자 잡음 문제를 해결하는 것 외에도 양자 프로세서가 일정한 규모와 컴퓨팅 속도를 갖추도록 보장하는 것도 필요하다고 믿습니다.

양자 잡음을 제거하는 과정을 양자 오류 수정이라고 합니다. 오류를 수정할 수 있도록 큐비트를 더 많은 큐비트로 기술하는 방법입니다.

그러나 이 아이디어의 결함은 명백합니다. 우리는 너무 많은 큐비트를 제어할 수 없다는 것입니다.

따라서 양자 잡음의 경우 현재 일반적으로 사용되는 방법은 직접적으로 제거하기보다는 그 영향을 상쇄하는 것입니다.

기존의 취소 방법은 오류 정보를 실시간으로 모니터링하여 취소 알고리즘을 구축하는 것이지만, 큐비트 수가 증가할수록 성능 병목 현상도 나타납니다.

IBM 팀은 이 병목 현상을 우회하기 위한 새로운 오프셋 방법을 개발했습니다.

이 방법의 핵심은 펄스 스트레칭(Pulse Stretching)과 제로 노이즈 외삽(Zero Noise Extrapolation)이라는 두 가지 핵심 기술입니다.

펄스 스트레칭은 각 큐비트의 작동 시간을 연장하여 양자 오류를 증폭시켜 관찰에 더 도움이 됩니다.

이 과정에서 IBM은 물리학에서 일반적으로 사용되는 Ising 모델을 채택했습니다.

가장 기본적인 가정은 가장 가까운 이웃 스핀 사이에만 상호 작용이 존재한다는 것입니다.

특히 이 프로젝트에서는 큐비트 배열이 모델 격자 배열을 설정하는 기초가 됩니다.

동일한 배열에도 불구하고 Ising 모델은 프로세서 하드웨어와 독립적으로 존재합니다.

제로 노이즈 추정은 수집된 오류 정보를 다양한 비율로 증폭한 후 함수 모델을 구축하는 것입니다(수집량이 기존 방법보다 훨씬 적음).

영점값은 함수 모델을 기준으로 추정한 것으로, 오류가 없을 때의 계산 결과입니다.

아직 특정 제한 사항이 있지만 양자 프로세서는 이러한 방식으로 일부 오류를 상쇄한 후 이미 일부 작업을 수행할 수 있습니다.

IBM 팀은 슈퍼컴퓨터와의 평가 및 비교를 위해 결과를 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에 보냈습니다.

결과는 Eagle 칩 기반 양자 컴퓨터의 계산 결과가 기존 컴퓨터의 계산 결과보다 실제 값에 훨씬 더 가깝다는 것을 보여줍니다.

그러나 IBM 연구원들은 이러한 오프셋 방법을 사용하여 소음의 영향을 제거하는 것은 단기적인 전략일 뿐이라고 지적했습니다.

IBM은 또한 프로세서에 포함된 큐비트 수를 점차 확대하고 있습니다.

연구자들에 따르면 2033년에는 100,000큐비트 이상의 프로세서가 제조되어 양자 오류가 근본적으로 해결될 것이라고 합니다.

논문 주소: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

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