양자 컴퓨팅(Quantum computing)이란 무엇인가요?

양자 컴퓨팅 분야에는 양자 하드웨어 및 양자 알고리즘을 포함한 다양한 분야가 포함됩니다. 아직 개발 중이지만 양자 기술은 곧 기존 슈퍼컴퓨터가 해결할 수 없는(또는 충분히 빨리 해결할 수 없는) 복잡한 문제를 해결할 수 있게 될 것입니다.

양자 물리학을 활용함으로써 대규모 양자 컴퓨터는 현대의 기존 기계보다 몇 배 더 빠르게 특정 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 양자 컴퓨터를 사용하면 클래식 컴퓨터가 해결하는 데 수천 년이 걸릴 수 있는 일부 문제가 몇 분 또는 몇 시간 안에 해결될 수 있습니다.

양자 역학은 아주 작은 규모의 물리학을 연구하는 것으로, 놀랍도록 근본적인 자연 원리를 밝혀냅니다. 양자 컴퓨터는 특히 이러한 현상을 활용하여 기존 컴퓨팅만으로는 불가능한 수학적 문제 해결 방법에 접근합니다.

실제로 양자 컴퓨터는 물리적 시스템의 동작을 모델링하고 정보의 패턴과 구조를 식별하는 두 가지 유형의 작업에 있어서 광범위하게 유용할 것으로 예상됩니다.

양자 역학은 우주의 운영 체제 와 비슷합니다. 양자 원리를 사용하여 정보를 처리하는 컴퓨터는 물리적 시스템을 모델링하는 데 특정 이점이 있습니다. 따라서 양자 컴퓨팅은 화학 및 재료 과학 애플리케이션에서 특히 중요합니다. 예를 들어, 양자 컴퓨터는 애플리케이션에 유용한 분자를 찾는 연구자들이 후보자를 보다 빠르고 효율적으로 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 클래식 컴퓨터로는 접근할 수 없는 수학적 기법을 사용하여 데이터를 처리할 수도 있습니다. 즉, 데이터에 구조를 부여하고 기존 알고리즘만으로는 놓칠 수 있는 패턴을 발견하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 실제로 이것은 생물학(예: 단백질 폴딩)에서 금융에 이르기까지 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있습니다.

오늘날 양자 컴퓨팅 연구의 대부분은 이러한 범주 내에서 알고리즘과 애플리케이션을 검색하는 것입니다. 이는 새로운 기술 자체를 구축하는 데 추가되는 것입니다.

IBM, Amazon, Microsoft, Google과 같은 선도적인 기관과 Rigetti 및 Ionq와 같은 스타트업이 이 흥미로운 기술에 계속해서 막대한 투자를 하고 있는 가운데, 양자 컴퓨팅은 2035년까지 1조 3천억 달러 규모의 산업이 될 것으로 예상됩니다.

양자 컴퓨터에 대해 논의할 때, 가장 작은 규모에서 우주는 우리의 일상 생활에서 익숙한 것과 매우 다르게 작동한다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 초등학교 물리학에서 배운 것과 비교하면 양자 물체의 행동은 종종 기괴하고 직관적이지 않습니다.

양자 입자의 거동을 설명하는 것은 특별한 과제입니다. 자연계에 대한 대부분의 상식적인 패러다임에는 양자 입자의 놀라운 행동을 전달할 어휘가 부족합니다. 하지만 양자 역학은 우주가 실제로 어떻게 작동하는지 보여줍니다. 양자 컴퓨터는 기존의 이진 비트 회로를 양자 비트 또는 큐비트라는 양자 입자로 대체하여 양자 역학을 활용합니다. 이러한 입자는 비트와 다르게 행동하며 양자역학으로만 설명할 수 있는 고유한 특성을 나타냅니다.

양자 컴퓨팅을 이해하려면 네 가지 주요 양자 역학 원리를 이해하는 것이 중요합니다.

• 중첩
• 얽힘
• 결어긋남
• 간섭

큐비트 자체는 그다지 유용하지 않습니다. 하지만 큐비트는 보유한 양자 정보를 큐비트의 가능한 모든 구성의 조합을 나타내는 중첩 상태에 놓을 수 있습니다. 큐비트 그룹을 중첩하면 복잡한 다차원 계산 공간을 만들 수 있습니다. 이러한 공간에서는 복잡한 문제를 새로운 방식으로 표현할 수 있습니다.

양자 시스템이 측정되면 그 상태는 가능성의 중첩에서 이진 상태로 붕괴되며, 이는 이진 코드처럼 0 또는 1로 등록될 수 있습니다.

얽힘은 큐비트가 상태를 다른 큐비트와 연관시키는 능력입니다. 얽힌 시스템은 본질적으로 연결되어 있어 양자 프로세서가 얽힌 단일 큐비트를 측정할 때 얽힌 시스템의 다른 큐비트에 대한 정보를 즉시 확인할 수 있습니다.

간섭은 양자 컴퓨팅의 엔진입니다. 집단 중첩 상태에 배치된 큐비트 환경은 각 결과와 관련된 진폭을 사용하여 파동처럼 보이는 방식으로 정보를 구조화합니다.

이러한 진폭은 시스템 측정 결과의 확률이 됩니다. 이러한 파동은 많은 파동이 특정 결과에서 정점을 찍을 때 서로 겹칠 수 있고, 최고점과 최저점이 상호 작용할 때 서로를 상쇄할 수 있습니다. 확률을 증폭하거나 다른 확률을 상쇄하는 것은 모두 간섭의 한 형태입니다.

결어긋남은 양자 상태의 시스템이 비양자 상태로 붕괴되는 과정입니다. 이는 양자 시스템을 측정하거나 다른 환경 요인에 의해 의도적으로(때때로는 의도치 않게) 트리거될 수 있습니다. 일반적으로 양자 컴퓨팅은 결어긋남을 피하고 최소화해야 합니다.

양자 컴퓨팅을 더 잘 이해하려면 다음의 두 가지 놀라운 아이디어가 모두 사실이라는 점을 고려해야 합니다. 첫 번째는 측정 가능한 명확한 상태를 가진, 정의된 확률 진폭을 가진 중첩 상태의 큐비트가 무작위적으로 행동한다는 것입니다. 두 번째는 멀리 있는 물체(이 경우 얽힌 큐비트)가 개별적으로 무작위이지만 강한 상관 관계가 있는 방식으로 여전히 작동할 수 있다는 것입니다.

양자 컴퓨터에서의 계산은 계산 상태의 중첩을 준비하여 작동합니다. 사용자가 준비한 양자 회로는 양자 알고리즘에 의해 제어되는 대로 연산을 사용하여 큐비트를 얽고 간섭 패턴을 생성합니다. 간섭을 통해 가능한 많은 결과가 상쇄되는 반면, 일부 결과는 증폭됩니다. 증폭된 결과는 계산에 대한 솔루션입니다.

클래식 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 주요 차이점은 양자 컴퓨터가 비트 대신 큐비트를 사용한다는 것입니다. 양자 컴퓨팅은 이진 코드를 사용하지만, 큐비트는 클래식 컴퓨터와 다르게 정보를 처리합니다. 그렇다면 큐비트란 무엇이며 어디에서 오는 것일까요?

클래식 컴퓨터는 비트(0과 1)를 사용하여 데이터를 저장하고 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 양자 비트(큐비트)를 중첩하여 데이터를 다르게 처리합니다.

큐비트는 비트처럼 동작하고 0 또는 1을 저장할 수 있지만 동시에 0과 1의 가중치 조합일 수도 있습니다. 큐비트가 결합되면 중첩의 복잡성이 기하급수적으로 증가할 수 있습니다: 두 큐비트는 4개의 가능한 2비트 문자열의 중첩에 있을 수 있고, 3개의 큐비트는 8개의 가능한 3비트 문자열의 중첩에 있을 수 있습니다. 100큐비트를 사용하면 가능성의 범위는 천문학적입니다.

양자 알고리즘은 클래식 컴퓨터로는 접근할 수 없는 방식으로 정보를 조작하는 식으로 작동하며, 특히 양자 컴퓨터와 고성능 클래식 슈퍼컴퓨터가 함께 작동할 때 특정 문제에 대해 극적인 속도 향상을 제공할 수 있습니다.

일반적으로 큐비트는 초전도 회로, 광자, 전자, 포획 이온 및 원자와 같은 양자역학적 거동을 나타내는 시스템을 조작하고 측정하여 생성됩니다.

오늘날 양자 컴퓨팅에 사용되는 큐비트를 만드는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각기 다른 유형의 작업에 더 적합한 방법도 있습니다.

사용 중인 몇 가지 일반적인 큐비트 유형은 다음과 같습니다.

• 초전도 큐비트: 극도로 낮은 온도에서 작동하는 초전도 재료로 만들어진 이 큐비트는 계산 수행 속도와 미세 조정된 제어 속도로 인해 선호됩니다.
• 포획 이온 큐비트: 포획 이온 입자는 큐비트로도 사용할 수 있으며 긴 일관성 시간과 높은 충실도 측정으로 유명하지만 초전도 큐비트보다 훨씬 느립니다.
• 양자점: 양자점은 단일 전자를 포착하여 큐비트로 사용하는 소형 반도체로, 확장성 및 기존 반도체 기술과의 호환성 측면에서 유망한 잠재력을 제공합니다.
• 광자: 광자는 개별 빛 입자입니다. 양자 큐비트를 만들고 광섬유 케이블을 통해 장거리에 걸쳐 양자 정보를 보내는 데 사용할 수 있습니다. 양자 통신 및 양자 암호화에 사용되고 있습니다.

양자 비트를 사용하는 컴퓨터는 classical 비트를 사용하는 컴퓨터에 비해 특정 이점이 있습니다. 큐비트는 중첩을 보유하고 간섭을 나타낼 수 있기 때문에 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터는 클래식 컴퓨터와 다른 방식으로 문제에 접근합니다.

양자 컴퓨터가 큐비트를 사용해 복잡한 문제를 해결하는 방식을 이해하는 데 도움이 되는 비유로, 복잡한 미로의 중앙에 서 있다고 상상해 보세요. 미로에서 탈출하기 위한 전통적인 고전적 컴퓨팅 접근 방식은 문제에 대한 '무차별 대입 공격'을 통해 가능한 모든 경로의 조합을 시도하여 출구를 찾는 것입니다. 이런 종류의 컴퓨터는 비트를 사용하여 새로운 경로를 탐색하고 어떤 경로가 막다른 길인지 기억합니다.

양자 컴퓨터는 마치 미로를 위에서 내려다보는 것처럼 잘못된 경로를 모두 테스트하지 않고도 올바른 경로를 도출해낼 수 있습니다. 그러나 큐비트는 한 번에 여러 경로를 테스트하지 않습니다. 대신 양자 컴퓨터는 큐비트의 확률 진폭을 측정하여 결과를 결정합니다.

이러한 진폭은 파동처럼 기능하며 서로 겹치고 간섭합니다. 비동기 파동이 겹치면 복잡한 문제에 대한 가능한 해결책이 사실상 사라지고, 실현된 일관된 파동은 올바른 해결책을 제시합니다.

IBM Quantum 프로세서는 노트북에서 볼 수 있는 실리콘 칩보다 조금 더 큰 웨이퍼입니다. 그러나 최신 양자 하드웨어 시스템(기기를 초저온 온도로 유지하는 데 사용됨)과 시스템을 제어하고 양자 데이터를 처리하기 위한 추가 실온 전자 부품은 일반 자동차 크기입니다.

완전한 양자 하드웨어 시스템이 차지하는 면적이 크기 때문에 대부분의 양자 컴퓨터는 휴대성이 불가능하지만 연구자와 컴퓨터 과학자는 여전히 클라우드 컴퓨팅을 통해 오프사이트 양자 컴퓨팅 기능에 액세스할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 주요 하드웨어 구성 요소는 다음과 같습니다.

통신을 허용하기 위해 다양한 구성으로 배치된 큐비트로 구성된 양자 칩(양자 데이터 평면이라고도 함)은 양자 컴퓨터의 두뇌 역할을 합니다.

양자 컴퓨터의 핵심 구성 요소인 양자 프로세서는 시스템의 물리적 큐비트와 이를 제자리에 고정하는 데 필요한 구조를 포함합니다. 양자 처리 단위(QPU) 에는 입력과 아웃풋에 필요한 양자 칩, 제어 전자 장치 및 기존 컴퓨팅 하드웨어가 포함됩니다.

데스크톱 컴퓨터는 작업하기에 충분히 차가워지기 위해 팬을 사용할 가능성이 높습니다. 양자 프로세서는 양자 상태를 유지하기 위해 노이즈를 최소화하고 결어긋남을 방지하려면 절대 영도보다 약 100분의 1도 높은 매우 차가운 온도를 유지해야 합니다. 이 초저온은 과냉각 초유체를 통해 달성됩니다. 이러한 온도에서 특정 물질은 전자가 저항 없이 이동하는 중요한 양자 역학적 효과를 나타냅니다. 이 효과로 인해 초전도체가 됩니다.

물질이 초전도체가 되면 전자가 일치하여 쿠퍼 쌍을 형성합니다. 이 쌍은 양자 터널링으로 알려진 프로세스를 통해 장벽 또는 절연체를 가로질러 전하를 운반할 수 있습니다. 절연체의 양쪽에 배치된 두 개의 초전도체는 양자 컴퓨팅 하드웨어의 중요한 부분인 조지프슨(Josephson) 접합을 형성합니다.

양자 컴퓨터는 커패시터와 조지프슨 접합이 있는 회로를 초전도 큐비트로 사용합니다. 이러한 큐비트에서 마이크로파 광자를 발사함으로써 우리는 큐비트의 동작을 제어하고 양자 정보의 개별 단위를 보유, 변경 및 읽도록 할 수 있습니다.

양자 하드웨어 구성 요소를 개선하기 위한 연구는 계속되고 있지만, 이는 전체 방정식의 절반에 불과합니다. 사용자가 양자 우위를 발견하는 데 있어 핵심은 차세대 양자 알고리즘을 구현하는 고성능의 안정적인 양자 소프트웨어 스택이 될 것입니다.

2024년에 IBM은 Qiskit 오픈 소스 소프트웨어 개발 키트(SDK)의 첫 번째 안정 버전 Qiskit SDK 1.x를 출시했습니다. 60만 명 이상의 등록 사용자와 700개 이상의 글로벌 대학에서 양자 컴퓨팅 수업을 개발하는 Qiskit은 양자 컴퓨팅을 위한 선호 소프트웨어 스택이 되었습니다.

그러나 Qiskit은 양자 회로를 구축하고 구성하는 세계에서 가장 인기 있는 양자 개발 소프트웨어 그 이상입니다. 우리는 새로운 생성형 AI 코드 지원 도구를 포함하여 IBM 양자 시스템에서 프로그램을 작성, 최적화 및 실행할 수 있는 미들웨어 소프트웨어 및 서비스로 Qiskit을 재정의하고 있습니다.

양자 컴퓨팅은 매우 작은 물체가 큰 물체와 어떻게 다르게 작동하는지 설명하는 양자 역학의 원리를 기반으로 합니다. 그러나 양자역학은 우리 우주 전체의 기본 법칙을 제공하기 때문에 매우 작은 수준에서 모든 시스템은 양자 시스템입니다.

이러한 이유로 클래식 컴퓨터도 양자 시스템 위에 구축되었지만, 계산 과정에서 양자 특성을 충분히 활용하지 못한다고 말할 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 양자 역학을 더 잘 활용하여 고성능 컴퓨터도 할 수 없는 계산을 수행할 수 있을 것으로 기대됩니다.

구식 펀치 카드 가산기부터 최신 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 기존 (또는 고전) 컴퓨터는 기본적으로 동일한 방식으로 작동합니다. 이러한 기계는 일반적으로 이진 정보 비트를 사용하여 데이터를 저장하여 순차적으로 계산을 수행합니다. 각 비트는 0 또는 1을 나타냅니다.

바이너리 코드로 결합하고 논리 연산을 사용하여 조작하면 컴퓨터를 사용하여 간단한 운영 체제에서 가장 진보된 슈퍼컴퓨팅 계산에 이르기까지 모든 것을 만들 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 마찬가지로 문제 해결 기계입니다. 하지만 양자 컴퓨팅은 비트 대신 큐비트를 사용합니다. 큐비트는 기존 비트처럼 데이터를 처리하는 데 사용됩니다. 그러나 양자 현상을 활용함으로써 큐비트는 다른 유형의 계산을 위해 더 복잡한 수학에 액세스할 수 있습니다. 이것은 앞서 논의한 중첩 및 간섭으로 알려진 양자 역학적 개념 때문입니다.

• 일반적인 다목적 컴퓨터 및 장치에서 사용됩니다.
• 정보를 0 또는 1이라는 불연속적인 상태의 비트 단위로 처리합니다.

• 양자 역학 기반의 양자 컴퓨팅 하드웨어에서 사용됩니다.
• 큐비트의 정보를 0, 1 또는 0과 1의 중첩으로 처리합니다.
• 간섭을 사용하여 문제를 해결함으로써 양자 논리로 데이터를 처리합니다.

양자 프로세서는 클래식 컴퓨터와 같은 방식으로 수학 방정식을 수행하지 않습니다. 복잡한 계산의 모든 단계를 계산해야 하는 클래식 컴퓨터와 달리 논리적 큐비트로 만든 양자 회로는 양자 문제를 보다 효율적으로 처리할 수 있습니다.

클래식 컴퓨터는 일반적으로 단일 답변을 제공하는 반면, 확률론적 양자 기계는 가능한 답변의 범위를 제공하는 경우가 많습니다. 이 범위로 인해 양자 컴퓨팅이 전통적인 계산보다 덜 정확해 보일 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터가 곧 해결할 수 있는 매우 복잡한 문제의 경우 이러한 컴퓨팅 방식은 잠재적으로 수십만 년의 전통적인 계산을 절약할 수 있습니다.

실제로 양자 컴퓨터와 클래식 컴퓨터는 워크플로에서 함께 작동하여 문제를 해결합니다. 가장 효율적인 방법은 양자 컴퓨팅이 가장 잘하는 계산 부분을 양자 컴퓨팅 리소스에, 기존 컴퓨팅이 가장 잘하는 부분을 기존 컴퓨팅 리소스에 분산하는 것입니다.

고성능 클래식 컴퓨터와 함께 작동하는 완전 구현된 양자 컴퓨터는 정수 인수분해와 같은 특정 유형의 문제에서 클래식 컴퓨터를 단독으로 사용하는 것보다 훨씬 우수할 것입니다. 그러나 양자 컴퓨팅이 모든(또는 대부분의) 문제에 이상적인 것은 아닙니다.

대부분의 종류의 작업과 문제에 대해선 클래식 컴퓨터가 최상의 솔루션으로 남을 것으로 예상됩니다. 그러나 과학자와 엔지니어가 매우 복잡한 문제에 직면하면 양자 컴퓨팅의 차례가 됩니다. 이러한 유형의 어려운 계산에서는 가장 강력한 기존 슈퍼컴퓨터조차도 양자 컴퓨팅에 비해 성능이 낮습니다. 가장 강력한 고전 슈퍼컴퓨터조차도 20세기 기술에 의존하는 바이너리 코드 기반 기계이기 때문입니다.

복잡한 문제는 많은 변수가 복잡한 방식으로 상호 작용하는 문제를 말합니다. 예를 들어, 분자 내 개별 원자의 행동을 모델링하는 것은 전자 간의 상호 작용이 모두 다르기 때문에 복잡한 문제입니다. 슈퍼콜라이더에서 새로운 물리학을 식별하는 것도 복잡한 문제입니다. 실질적인 규모에서 클래식 컴퓨터로는 해결할 수 없는 복잡한 문제가 몇 가지 있습니다.

클래식 컴퓨터는 대규모 분자 데이터베이스를 분류하는 것과 같은 어려운 작업에는 능숙할 수 있습니다. 하지만 분자가 어떻게 행동하는지 시뮬레이션하는 것과 같은 더 복잡한 문제를 해결하는 데는 어려움을 겪습니다.

오늘날 과학자들이 분자가 어떻게 행동하는지 알고 싶다면 분자를 합성하고 실제 세계에서 실험해야 합니다. 약간의 조정이 동작에 어떤 영향을 미치는지 알고 싶다면 일반적으로 새 버전을 합성하고 실험을 처음부터 다시 실행해야 합니다. 이는 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 과정으로, 의학 및 반도체 설계와 같은 다양한 분야의 발전을 저해합니다.

기존 슈퍼컴퓨터는 분자의 모든 부분이 동작할 수 있는 모든 가능한 방법을 탐색하기 위해 많은 프로세서를 사용하여 무차별 대입 방식으로 분자 행동을 시뮬레이션하려고 할 수 있습니다. 그러나 가장 단순하고 직관적인 분자를 지나고 나면 슈퍼컴퓨터는 멈춰 섭니다. 알려진 방법을 사용하여 분자 행동의 모든 가능한 순열을 처리할 수 있는 고전적인 컴퓨터는 없습니다.

양자 알고리즘은 이러한 분자 자체와 매우 유사하게 작동하는 알고리즘을 실행하는 다차원 계산 공간을 만들어 이러한 종류의 복잡한 문제에 대한 새로운 접근 방식을 취합니다. 이는 화학 시뮬레이션과 같은 복잡한 문제를 해결하는 훨씬 더 효율적인 방법입니다.

이에 대해 생각하는 한 가지 방법은 고전 컴퓨터가 분자가 어떻게 행동하는지 파악하기 위해 숫자를 계산해야 한다는 것입니다. 양자 컴퓨터는 숫자를 계산할 필요가 없으며 분자 시스템을 직접 모방할 수 있습니다.

양자 알고리즘은 또한 클래식 컴퓨터가 할 수 없는 방식으로 데이터를 처리하여 새로운 구조와 통찰력을 제공합니다.

1980년대 초에 처음 이론이 제기된 것은 1994년에 수학자 피터 쇼어(Peter Shor)가 가상 양자 기계에 대한 최초의 실제 적용 사례 중 하나를 발표한 이후였습니다. 정수 인수분해를 위한 쇼어의 알고리즘은 양자 기계 컴퓨터가 오늘날에도 여전히 사용되는 당시의 가장 진보된 암호화 시스템을 잠재적으로 깨뜨릴 수 있는 방법을 보여주었습니다. 쇼어의 연구 결과는 양자 시스템에 애플리케이션 가능한 가능성을 보여주었으며, 사이버 보안 뿐만 아니라 다른 많은 분야에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

엔지니어링 회사, 금융 기관 및 글로벌 해운 회사 등은 양자 컴퓨터가 해당 분야의 중요한 문제를 해결할 수 있는 사용 사례를 모색하고 있습니다. 양자 연구 및 개발의 폭발적인 이점이 구체화되고 있습니다. 양자 하드웨어 규모와 양자 알고리즘이 발전함에 따라 분자 시뮬레이션, 에너지 인프라 관리 및 금융 시장 모델링과 같은 큰 문제에 대한 새로운 솔루션을 곧 찾을 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 변수가 많은 복잡한 특정 문제를 해결하는 데 탁월합니다. 신약 개발부터 반도체 개발의 발전, 복잡한 에너지 문제 해결에 이르기까지 양자 컴퓨팅은 여러 주요 산업에서 혁신의 열쇠가 될 수 있습니다.

양자 컴퓨팅은 더 이상 이론적인 수준에 머물지 않고 여전히 개발 중입니다. 전 세계 과학자들이 양자 기계의 속도, 성능, 효율성을 개선하기 위한 새로운 기술을 발견하기 위해 노력하면서 기술은 전환점을 맞이하고 있습니다. 양자 우위와 양자 유틸리티이라는 개념을 사용하여 유용한 양자 컴퓨팅의 진화를 이해합니다.

양자 유틸리티 는 무차별 대입식 클래식 컴퓨팅 양자 기계 시뮬레이터로는 해결할 수 없는 문제에 대해 신뢰할 수 있고 정확한 솔루션을 제공하는 모든 양자 계산을 말합니다. 이전에는 이러한 문제가 고전적인 근사법(일반적으로 특정 문제의 고유한 구조를 활용하기 위해 신중하게 제작된 문제별 근사법)에서만 액세스할 수 있었습니다. IBM은 2023년에 처음으로 양자 유틸리티를 시연했습니다.

광범위하게 정의된 양자 우위라는 용어는 양자가 알려진 모든 고전적인 방법보다 더 좋고, 빠르고, 저렴한 솔루션을 제공할 수 있는 상황을 설명합니다. 양자 컴퓨터에서 양자적 이점을 나타내는 알고리즘은 알려진 모든 고전 컴퓨팅 방법을 능가하는 중요하고 실용적인 이점을 제공할 수 있어야 합니다. IBM은 양자 및 고성능 컴퓨팅 커뮤니티가 협력한다면 2026년 말까지 첫 번째 양자 우위가 실현될 것으로 예상하고 있습니다.

양자 컴퓨팅은 이제 특정 문제에 대한 고전적 근사치에 대한 실행 가능한 대안을 제공하기 때문에 과학자들은 과학적 탐구에 유용한 도구이거나 유용성이 있다고 말합니다. 양자 유틸리티는 양자 방법이 알려진 모든 기존 방법에 비해 입증된 속도 향상을 달성했다는 주장을 구성하지 않습니다. 이것이 양자 우위 개념과의 주요 차이점입니다.

IBM은 양자 컴퓨터를 벤치마킹하기 위해 계층 충실도와 초당 회로 계층 작업(CLOPS)이라는 두 가지 지표를 도입했습니다.

매우 유용한 벤치마크인 계층 충실도는 회로를 실행하는 전체 양자 프로세서 기능을 캡슐화하는 동시에 개별 큐비트, 게이트 및 크로스토크에 대한 정보를 드러낼 수 있는 방법을 제공합니다. 연구원들은 계층 충실도 프로토콜을 실행하여 전체 양자 장치를 검증하는 동시에 개별 구성 요소에 대한 세분화된 성능 및 오류 정보에 액세스할 수 있습니다.

IBM은 레이어 충실도 외에도 속도 측정 기준인 지표 초당 회로 레이어 작업(CLOPS)을 정의했습니다. 현재 CLOPS는 프로세서가 양자 볼륨 회로를 직렬로 얼마나 빨리 실행할 수 있는지를 측정하는 척도로, 양자 및 클래식 컴퓨팅을 통합하여 전체적인 시스템 속도의 척도 역할을 합니다.

레이어 충실도와 CLOPS를 함께 사용하면 양자 하드웨어를 개선하고 사용하려는 사람들에게 더욱 의미 있는 시스템을 벤치마킹할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다. 이러한 지표를 사용하면 시스템을 서로 비교하고, 시스템을 다른 아키텍처와 비교하고, 규모에 따른 성능 향상을 반영하기가 더 쉬워집니다.

회로 깊이는 양자 처리 장치의 필수 기능이기도 합니다. 이는 큐비트가 결어긋나기 전에 처리 장치가 실행할 수 있는 병렬 게이트 실행 수(양자 회로의 단계 수)를 측정한 것입니다. 회로 깊이가 깊을수록 컴퓨터는 더 복잡한 회로를 실행할 수 있습니다.

오늘날 IBM, Google, Microsoft, D-Wave, Rigetti Computing 등과 같은 회사가 실제 양자 하드웨어를 만들고 있습니다. 40년 전만 해도 이론에 불과했던 최첨단 도구를 이제 수십만 명의 개발자가 사용할 수 있습니다. 엔지니어들은 소프트웨어 및 양자-클래식 오케스트레이션의 중요한 발전과 함께 더욱 강력한 초전도 양자 프로세서를 정기적으로 제공하고 있습니다. 이 작업은 세상을 변화시키는 데 필요한 양자 컴퓨팅 속도와 용량을 제공하기 위한 것입니다.

이제 이 분야가 양자 유틸리티를 달성했기 때문에 연구자들은 최첨단 양자 컴퓨터를 더욱 유용하게 만들기 위해 열심히 노력하고 있습니다. IBM QUANTUM 및 다른 곳의 연구원들은 양자 유틸리티를 개선하고 잠재적으로 양자 우위를 달성하기 위한 몇 가지 주요 과제를 확인했습니다.

1. 양자 프로세서 확장: 양자 컴퓨팅에 사용되는 큐비트 프로세서는 비트 기반 프로세서를 훨씬 능가할 가능성이 있지만, 현재의 양자 프로세서는 소수의 잠재적 큐비트만 지원할 수 있습니다. 연구가 진행됨에 따라 IBM은 2029년까지 1억 개의 양자 게이트를 실행할 수 있는 200개의 논리 큐비트를 갖춘 양자 시스템을 도입할 계획이며, 2033년까지 10억 개의 게이트를 실행할 수 있는 2,000개의 논리 큐비트를 목표로 하며, 양자 시스템을 도입할 계획입니다.
2. 양자 하드웨어 확장: 양자 비트는 강력하지만 오류가 발생하기 쉬우므로 우주 공간보다 낮은 온도를 생성할 수 있는 대형 냉각 시스템이 필요합니다. 연구원들은 현재 설치 공간, 비용 및 에너지 사용량을 줄이기 위해 큐비트, 전자 장치, 인프라 및 소프트웨어를 확장하는 방안을 개발 중입니다.
3. 양자 오류 정정: 큐비트가 제대로 작동하지 못하고 부정확한 결과를 생성하는 과정인 결어긋남은 모든 양자 시스템에 큰 장애물입니다. 양자 오류 수정을 위해서는 양자 정보를 다른 방법보다 더 많은 큐비트로 인코딩해야 합니다. 2024년에 IBM은 기존 방법보다 약 10배 더 효율적인 새로운 오류 정정 코드 를 발표했습니다. 양자 오류 수정 코드를 구현하고 인코딩된 양자 정보에 대한 계산을 수행하는 데는 여전히 과제가 남아 있지만, 이 새로운 코드는 10억 개 이상의 논리 게이트가 있는 양자 회로를 실행하기 위한 명확한 경로를 표시합니다.
4. 양자 알고리즘 발견: 양자 우위에는 두 가지 구성 요소가 필요합니다. 첫 번째는 실행 가능한 양자 회로이고, 두 번째는 양자 회로가 양자 문제를 해결하는 데 알려진 고전적 방법보다 낫다는 것을 입증하는 수단입니다. 양자 알고리즘의 발견 은 현재의 양자 기술을 양자 유틸리티에서 양자 우위로 끌어올릴 것입니다.
5. 양자 소프트웨어 및 미들웨어: 이점을 위한 양자 컴퓨팅에는 양자 프로그램을 작성, 최적화 및 실행하기 위한 고성능의 안정적인 소프트웨어 스택이 필요합니다. 오픈 소스 및 Python 기반인 IBM의 Qiskit은 세계에서 가장 널리 사용되는 양자 SDK입니다. IBM의 초전도 양자 컴퓨터 제품군과 자기장에 포획 이온 또는 양자 어닐링과 같은 대체 기술을 사용하는 시스템 모두에서 실행하는 데 유용합니다.
6. 양자 중심 슈퍼컴퓨팅: 가까운 미래에는 양자 컴퓨팅이 현대적이고 클래식한 슈퍼컴퓨팅과 함께 작동하여 유용하게 사용될 것입니다. 이에 대한 대응으로 양자 연구자들은 고전적인 슈퍼컴퓨터가 양자 회로를 사용하여 문제를 해결할 수 있는 세상을 준비하고 있습니다.