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양자비트(큐비트 Qubit)가 이론상 더 많은 정보를 동시에 저장하고 처리할 수 있다.
큐비트는 간섭에 매우 민감, 결합할수록 시스템 불안정.
IBM의 개발 로드맵;2023년 1천 큐비트. 구글은 10년 내에 1백만 큐비트 목표
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첫 1천 개의 양자비트 컴퓨터
IBM, 2023년 말에 약 천 양자비트를 갖춘 컴퓨터 제작 발표

이정표가 될 것이다.
IBM 회사는 단 3년 만에 천 큐비트(Qubits)가 넘는 최초의 양자 컴퓨터를 완성하여 양자 컴퓨팅의 "음향 장벽"을 허물려고 한다. 그런 시스템은 많은 작업에서 현재의 일반적인 슈퍼컴퓨터를 대체 할 수 있기 때문이다. 아직까지 100 양자비트를 가진 컴퓨터조차 없다. 초전도체의 가상 입자와 함께 작동하는 IBM 시스템은 이제 양자비트를 바꿀 준비가 되어있다.

▲ 스위스 취리히에서 IBM Research에서 개발한 초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터. 여기에 표시된 장치의 큐비트는 희석(delution) 냉장고를 사용하여 1켈빈 미만으로 냉각된다. IBM Zurich Lab

양자 컴퓨터는 복잡한 작업을 기존 컴퓨터보다 빠르게 처리할 수 ​​있기 때문에 미래의 컴퓨터로 간주된다. 중첩 현상 덕분에 양자비트는 0과 1뿐만 아니라 그 사이의 상태도 알고 있다. 이것은 양자비트가 이론상 더 많은 정보를 동시에 저장하고 처리할 수 ​​있음을 의미한다.
그러나 실제로 큐비트는 간섭에 매우 민감하며 이들을 더 많이 결합할수록 시스템이 더 불안정해진다.

▲ 큐비트라는 용어를 정의하려면 양자 컴퓨팅에서 두 가지 색상으로 구분된 기본 상태를 중첩하여 특정 방식으로 발생하는 일반 상태로 작업하는 반면, 클래식 컴퓨팅에서는 기본 상태 자체만 발생한다. Author Clemens Adolphs

이런 이유로 최초의 상용 양자 컴퓨터는 초전도체에서 생성된 가상 입자 형태의 큐비트가 5개에 불과했다. 현재 가장 큰 양자 컴퓨터는 IBM의 65큐비트 컴퓨터와 Google의 54큐비트 시스템이다. 후자는 2019년에 처음으로 이른바 양자 우월성을 입증했다고 보고됐다.
유럽 ​​컨소시엄은 2021년까지 100큐비트를 돌파하려고 한다.

2023년까지 1,121큐비트

최근 IBM의 새로운 "로드맵"이 보여주는 것처럼 IBM의 목표는 훨씬 더 야심적이다.
이에 따르면 IBM은 2023년 말까지 천 큐비트가 넘는 양자 컴퓨터를 개발하는 것이 목표다.
"시스템 당 1천 큐비트 이상이라는 표시는 오늘날 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 양자 컴퓨터에서 더 효율적으로 문제를 해결할 수 있는 소리 장벽으로 여긴다"고 회사는 말했다.

‘IBM Quantum Condor’ 컴퓨터는 확장가능하고 보편적으로 사용할 수 있는 양자 컴퓨터를위한 길을 닦기 위한 것이다.
물리학자이자 IBM 프로젝트 관리자 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “가장 큰 과제는 이 크기의 큐비트 시스템을 충분히 길게 그리고 적은 오류로 실행하는 방법을 찾는 것이다”고 말했다. 그래야만 향후 애플리케이션에 필요한 복잡한 양자 회로를 제어 할 수 있다.

▲ 현재 양자 칩에서 백만 양자 비트를 가진 양자 컴퓨터로의 IBM 로드맵 © IBM

특수 냉동고에 있는 "트랜스몬"

특히 계획된 양자 컴퓨터는 이른바 ‘트랜스몬-큐비트(Transmon-Qubits’형태의 1,121개 양자 비트로 구성된다. 이들은 5개의 금속 코일에 있는 초전도 섬 형태의 가상 입자다.
이러한 양자비트는 마이크로파를 사용하는 회로에 연결될 수 있으며, 전기 전압을 사용해 파생될 수 있는 상태는 기존 비트의 0과 1에 해당한다.

▲ IBM에서 제작하고 2017년 1월에 npj Quantum Information에 게시된 4개의 트랜스몬 큐비트, 4 개의 양자버스 및 4개의 판독 공진기로 구성된 장치 Source https://www.nature.com/articles/s41534-016-0004-0 Author Jay M. Gambetta, Jerry M. Chow & Matthias Steffen

IBM 팀은 민감한 양자비트를 간섭으로부터 보호하기 위해 현재 냉동고를 개발하고 있다.
이 냉동고는 초전도체와 트랜스몬에서 생성된 초전도체를 액체 헬륨을 사용해 절대 영도 바로 위까지 냉각하는 데 필요하다. 높이 3미터 크기다.
Gambetta는 "우리는 이미 다가오는 백만 큐비트 시스템을 고려해 이 거대 조직체를 개발했다"고 말했다.

IBM 물리학자는 "미래를 위해 각각 백만 큐비트를 포함하는 양자 링크를 통해 연결된 냉동고를 상상한다. 오늘날의 슈퍼컴퓨터 프로세서의 인트라넷 링크와 유사하게 세상을 바꿀 수 있는 대규모 병렬 양자 컴퓨터를 만들 것이다”고 했다.

새로운 상호 연결 및 버그 수정

이러한 미래 컴퓨터의 양자비트를 더욱 안정화하고 오류에 대한 취약성을 줄이기 위해 IBM은 이미 현재 65비트 양자 컴퓨터를 위한 새로운 형태의 상호 연결을 개발했다.
“이 시스템은 8:1 multiplaxing을 가지고 있다. 이것은 우리가 8큐비트의 신호를 하나로 결합한다는 것을 의미한다”고 Gambetta는 설명했다. “결과적으로 우리는 더 적은 수의 라인과 판독에 중요한 기타 구성 요소를 필요로 하고 시스템을 더 확장가능하게 만든다."

큐비트의 특별한 배열과 두 트랜스몬의 긴밀한 결합은 오류를 줄이는 데 도움이 될 것이다. Gambetta는 "이 큐비트 레이아웃을 통해 특수 오류 수정 코드를 구현할 수 있다"고 말했다. 제어 시스템의 지연 시간도 개선되어 큐비트를 더 잘 제어 할 수 있다.

IBM은 여러 단계로 1천 큐비트 컴퓨터에 대한 경로를 구현하려고 한다.
내년에는 127큐비트 프로세서가 가동될 것이며, 2022년에는 433큐비트의 양자 컴퓨터가 출시 될 예정이다.

▲ 미래의 양자 컴퓨터를 냉각시키기위한 냉동고 건설. © IBM

이번 10년 동안 수백만 개의 큐비트 머신?

Gambetta는 이것이 야심찬 목표라고 인정한다.
"길을 아는 것은 장애물을 제거하는 것을 의미하지 않는다. 우리는 기술 발전의 역사에서 가장 큰 도전에 직면하고 있다"고 연구원은 말했다. "그러나 여전히 본격적인 내 결함성 양자컴퓨터는 우리에게 향후 10년 내에 달성 가능한 목표인 것 같다."

사실, IBM이 이미 더 크고 강력한 양자 컴퓨터를 개발하는 유일한 회사는 아니다.
주요 경쟁자인 구글도 향후 10년 이내에 백만 큐비트의 양자 프로세서를 구축할 계획이라고 발표했지만 정확한 일정에 대해서는 침묵하고 있다.

출처 : IBM, Nature News

[더사이언스플러스] "No Science, No Future" 

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