IBM, 127큐비트 양자 프로세서 공개

IBM은 양자 하드웨어, 소프트웨어 및 에코시스템에서 거둔 주요 성과를 소개하는 연례 행사인 'IBM 퀀텀 서밋 2021'을 개최하고, 127 퀀텀비트(큐비트)의 새로운 ‘이글(Eagle)’ 프로세서를 17일 발표했다.

이글 프로세서는 양자 물리학 기반 기기의 엄청난 컴퓨팅 잠재력을 활용할 수 있도록 한 성과로, 양자 하드웨어가 전통적인 컴퓨터로는 완벽하게 구현할 수 없는 양자 회로(Quantum Circuits) 를 실행할 수 있는 단계에 도달했음을 나타낸다. 이번 행사에서 IBM은 차세대 양자 시스템인 ’IBM 퀀텀 시스템 투’ 계획도 미리 선보였다.

양자 컴퓨팅은 원자보다 작은 수준에서 물질의 근본적인 양자 특성을 활용해 컴퓨팅 성능을 크게 향상시킬 수 있는 가능성을 제공한다. IBM은 최근 양자 하드웨어를 발전시켜 양자 시스템이 기존 컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 퀀텀 어드밴티지에 도달할 수 있는 양자 컴퓨팅을 위한 세부 로드맵을 발표했다. 이글 프로세서는 이 로드맵의 최신 단계이다.

IBM은 양자 컴퓨팅 하드웨어의 발전 상황을 양자의 크기, 품질 및 속도의 세 가지 성능 속성을 통해 측정한다. 양자의 크기는 양자 프로세서의 큐비트 수로 측정되며 실행할 수 있는 양자 회로의 크기를 결정한다. 양자의 질은 양자 볼륨으로 측정되며 실제 하드웨어에서 양자 회로가 얼마나 정확하게 실행되는지를 나타낸다. 속도는 IBM이 최근 발표한 새로운 단위인 초당 회로 레이어 연산(CLOPS, Circuit Layer Operations Per Second)로 측정되며 많은 수의 양자 회로로 구성된 실제 연산을 실행할 수 있는 가능성을 나타낸다.

2019년 공개한 27 큐비트의 ‘팔콘’, 2020년 65 큐비트의 ‘허밍버드’ 프로세서에 이어 이번에 발표된 '이글' 프로세서는 100개 이상의 연결된 가용 큐비트를 가진 IBM 최초의 양자 프로세서이다.

IBM 연구팀은 오류를 줄인 큐비트 배열 디자인이나 필수 구성 요소의 수를 줄인 아키텍처와 같이 기존 양자 프로세서를 연구하면서 확보한 혁신적인 기술들을 기반으로 이글 프로세서를 설계했다. 이글 프로세서에 활용된 새로운 기술들은 큐비트를 단일 레이어 상에 유지하면서 프로세서 내의 여러 물리적 레벨에 배치된 배선을 제어함으로써, 큐비트 수를 크게 증가시킬 수 있었다.

큐비트 수가 증가하면 사용자는 한 차원 높은 수준의 복잡한 문제를 탐구하기 위한 실험이나 애플리케이션 실행이 가능해진다. 예를 들어 에너지 분야에서 신약 개발까지 여러 분야에서 사용되는 새로운 분자와 물질의 모델링 작업이나 보다 머신 러닝 최적화 등에 활용이 가능하다. 이글은 전통적인 컴퓨터로 완벽히 구현할 수 없는 성능을 제공하는 양자 상태를 가진 IBM 최초의 양자 프로세서이다. 실제로, 127 큐비트 프로세서의 상태를 일반적인 비트로 나타내기 위해서는 전 세계 약 75억 이상의 인구를 구성한 원자의 숫자를 모두 합한 것보다 더 많은 숫자가 필요하다.

IBM 수석 부사장이자 리서치 수장인 다리오 길 박사는 “이글 프로세서는 양자 컴퓨터가 유용한 애플리케이션에서 일반 컴퓨터를 능가하는 시대로 가는 데 있어 중요한 이정표”라며 “양자 컴퓨팅은 거의 모든 분야를 변화시킬 수 있는 힘을 가지고 있으므로, 우리 시대의 가장 큰 난제를 해결하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

그는 “이것이 IBM이 양자 하드웨어와 소프트웨어 디자인을 빠르게 발전시키고, 양자 컴퓨팅과 일반 컴퓨팅의 워크로드가 서로 보완할 수 있는 방법을 구축하며, 양자 산업의 성장에 반드시 필요한 글로벌 에코시스템을 조성하고자 지속적으로 노력하는 이유”라고 강조했다.

최초의 이글 프로세서는 IBM 퀀텀 네트워크의 일부 회원사 대상으로 IBM 클라우드상의 시범 시스템을 통해 사용 가능하다.

2019년 IBM은 세계 최초 통합 양자 컴퓨팅 시스템인 ‘IBM 퀀텀 시스템 원’을 공개했다. 이후 IBM은 클라우드 기반 IBM 퀀텀 서비스의 토대로서 해당 시스템을 미국은 물론, 독일 과학 연구 기관인 프라운호퍼 게젤샤프트와 일본 도쿄 대학에 배치하고, 미국 클리블랜드 클리닉에도 배치할 계획이다. 또한, 연세대학교와의 파트너십을 통해 IBM 퀀텀 시스템을 국내에 처음으로 설치할 계획이라고 발표했다.

IBM 퀀텀 시스템 원의 인프라도 발전해 갈 것으로 예상된다. IBM 퀀텀 시스템 투는 IBM이 향후에 발표할 433 큐비트 및 1천121 큐비트 프로세서로 작동하도록 설계됐다.

IBM 펠로우 겸 양자 컴퓨팅 부문 부사장인 제이 감베타 박사는 “IBM 퀀텀 시스템 투는 시스템 인프라의 모듈화와 유연성이 지속적인 발전의 핵심이 될 양자 컴퓨팅 데이터센터의 미래를 엿볼 수 있는 기회를 제공한다"며 "시스템 투는 다양한 기술에서 새로운 혁신을 이끌어내는 IBM의 오랜 전통을 양자 컴퓨팅과 고전 컴퓨팅에서 구현한 것"이라고 말했다.

IBM 퀀텀 시스템 투의 핵심은 모듈화 개념이다. IBM이 하드웨어 로드맵에 맞춰 큐비트 수가 크게 늘어난 프로세서를 개발함에 따라 제어 하드웨어가 유연성과 확장에 필요한 리소스를 갖추는 것이 중요하다. 이러한 리소스에는 사용자가 큐비트를 다룰 수 있는 제어용 전자 장치와 양자 성질이 나타날 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도에서 큐비트를 유지하는 극저온 냉각이 포함된다.