양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터에서 처리하기에 너무 복잡한 문제를 양자역학의 법칙으로 해결하는, 급부상 중인 기술입니다.
과학자들이 30년 전에야 상상하기 시작한 도구인 실제 양자 하드웨어를 IBM Quantum 덕분에 오늘날 수십만 명의 개발자가 사용할 수 있습니다. 소프트웨어 및 양자-고전 컴퓨팅의 조합이 괄목할 만한 발전을 보인 덕에 IBM 엔지니어 팀은 점점 더 강력해지는 초전도 양자 프로세서를 정기적으로 선보이고 있습니다. 세상을 바꾸는 데 필요한 양자 컴퓨팅의 속도와 용량이 실현되는 중입니다.
이 시스템은 반세기 이상 사용되어 온 고전 컴퓨터와 매우 다릅니다. 이 혁신적인 기술을 기초부터 하나씩 살펴보겠습니다.
어떤 문제에서는 슈퍼컴퓨터가 이름값을 하지 못합니다.
과학자와 엔지니어는 어려운 문제에 직면하면 슈퍼컴퓨터를 사용합니다. 이 거대한 고전 컴퓨터에는 수천 개의 일반 CPU및 GPU 코어가 들어 있는 경우가 많습니다. 그러나 슈퍼컴퓨터도 고전하는 문제 유형이 있습니다.
슈퍼컴퓨터가 쩔쩔맨다면, 이 거대하고 고전적인 시스템이
지극히 복잡한 문제를 해결해야 하는 상황이기 때문일 것입니다. 고전 컴퓨터는 복잡도 때문에 실패하는 경우가 많습니다.
복잡한 문제에는 온갖 변수가 복잡한 방식으로 상호 작용합니다. 분자를 이루는 개별 원자의 동작을 모델링하는 것은
복잡한 문제입니다. 각각의 전자가 모두 상호 작용하기
때문입니다. 글로벌 배송망에서 수백 척의 수송선에 이상적인 항로를 짜는 것
역시 복잡한 일입니다.
고전 컴퓨터가 한계에 봉착한 곳에서 양자 컴퓨터가 어떻게 성공할 수 있는지 예를 들어 설명해보겠습니다.
슈퍼컴퓨터는 수많은 단백질 서열의 대규모 데이터베이스를 분류하는 것과 같은 까다로운 작업도 능히 해낼 수 있습니다. 하지만 이러한 단백질이 어떻게 동작하는지를 결정하는, 이 데이터의 미묘한 패턴을 파악하는 데에는 어려움을 겪을 것입니다.
단백질은 긴 아미노산 끈인데, 이를 접어 복잡한 형태로 만들면 유용한 생물학적 기계로 거듭납니다. 단백질이 접히는 방식을 알아내는 것은 생물학에, 그리고 의학에도 중요한 문제입니다.
고전 슈퍼컴퓨터라면 무차별적으로 단백질을 접어보려 할 것입니다. 즉, 수많은 프로세서를 활용하여 이 화학 사슬을 구부리는 모든 방법을 시도하면서 답을 찾는 것입니다. 단백질 서열이 길고 복잡해지면 슈퍼컴퓨터가 멈춥니다. 아미노산 100개로 이루어진 사슬이라면, 답을 찾을 가능성은 이론상 몇조분의 일일 수도 있습니다. 접기의 가능한 조합을 모두 처리할 수 있는 작업 메모리를 갖춘 컴퓨터는 없습니다.
양자 알고리즘은 이러한 종류의 복잡한 문제에 대하여 새로운 접근 방식을 취합니다. 즉, 다차원 공간을 만드는데, 여기서 개별 데이터 포인트를 링크로 연결하는 패턴이 나타납니다. 단백질 접힘 문제의 경우, 생성에 필요한 에너지가 가장 적은 접힘의 조합이 그러한 패턴일 수 있습니다. 이 접힘의 조합이 문제의 해답입니다.
고전 컴퓨터는 이러한 계산 공간을 구성하지 못하므로 이와 같은 패턴을 찾을 수 없습니다. 단백질 문제와 관련해서는 고전 컴퓨터의 번거로운 확인 절차 대신 완전히 새롭고 더 효율적인 방법으로 접힘 패턴을 찾아내는 초기 단계의 양자 알고리즘이 이미 존재합니다. 양자 하드웨어가 확장하고 이러한 알고리즘이 발전함에 따라, 슈퍼컴퓨터에는 너무 복잡한 단백질 접힘 문제의 해결이 가능해졌습니다.
양자 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 크기가 작고 에너지 사용량도 적은 첨단 시스템입니다. IBM Quantum 프로세서는 노트북에 탑재된 것보다 그리 크지 않은 웨이퍼입니다. 양자 하드웨어 시스템은 자동차 한 대의 크기이며, 초전도 프로세서를 초저온 작동 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템이 대부분을 차지합니다.
고전 프로세서는 비트(bit)를 사용하여 작업을 수행합니다. 양자 컴퓨터에서는 큐비트(qubits, CUE-bit)를 사용하여 다차원 양자 알고리즘을 실행합니다.
초유체
데스크탑 컴퓨터는 팬 냉각 방식으로 작동 온도를 유지합니다. 양자 프로세서는 절대 0도 + 약 100분의 1도 수준으로 아주 차가워야 합니다. 이를 위해 초냉각 초유체를 사용하여 초전도체를 만듭니다.
초전도체
이러한 초저온에서는 프로세서의 특정 구성 물질이 또 다른 중요한 양자 역학 효과를 보입니다. 바로 전자가 저항 없이 이 물질을 통과합니다. 그러면 이 물질은 "초전도체"가 됩니다.
초전도체를 통과하는 전자는 짝을 지어 "쿠퍼쌍(Cooper pair)"을 구성합니다. 이 쌍은 양자 터널링이라는 프로세스에 의해 장벽, 즉 절연체를 가로질러 전하를 전달할 수 있습니다. 절연체 양쪽에 있는 초전도체 두 개는 조셉슨 접합(Josephson junction)을 형성합니다.
제어
양자 컴퓨터는 조셉슨 접합을 초전도 큐비트로 사용합니다. 우리는 이 큐비트에서 마이크로웨이브 광자를 발사함으로써, 이들의 동작을 제어하고 양자 정보의 개별 단위를 보존, 변경, 판독하게 할 수 있습니다.
중첩
큐비트 자체는 그다지 유용하지 않습니다. 그러나 중요한 트릭을 수행할 수 있습니다. 중첩의 상태로 양자 정보를 배치하는 것인데, 그러면 가능한 모든 큐비트 구성의 조합을 볼 수 있습니다. 중첩 상태의 큐비트 그룹은 복잡한 다차원 계산 공간을 형성할 수 있습니다. 이러한 공간에서는 복잡한 문제를 새로운 방식으로 표현할 수 있습니다.
얽힘
얽힘은 두 개별자의 동작을 상호 연계하는 양자 역학 효과입니다. 두 큐비트가 얽힌 상태에서 한 큐비트가 달라지면 다른 큐비트에 직접 영향을 미칩니다. 양자 알고리즘은 이러한 관계를 활용하여 복잡한 문제에 대한 해답을 찾습니다.
IBM Quantum은 양자 하드웨어 개발에서 글로벌 선두 주자입니다. 우리의 로드맵은 명확하면서 상세한 계획입니다. 양자 프로세서를 확장하고, 그 확장에 관한 문제를 극복하며, 양자의 이점을 누리는 데 필요한 하드웨어를 만드는 것입니다.
그러나 양자의 이점은 하드웨어만으로는 실현되지 않습니다. IBM은 오래 전부터 양자 컴퓨터를 사용하여 유용한 작업을 수행하는 데 필요할 소프트웨어 발전에도 힘써 왔습니다. 그 결과, Qiskit 양자 SDK가 개발되었습니다. Qiskit은 오픈 소스이고 파이썬(python) 기반이며 세계에서 가장 널리 사용되는 양자 SDK입니다. IBM은 세계 최강의 양자 프로그래밍 모델인 Qiskit Runtime도 개발했습니다. (다음 섹션에서 Qiskit과 Qiskit Runtime, 그리고 시작하는 방법을 자세히 알아보십시오.)
양자의 이점을 실현하려면, 오류를 억제하고 속도를 높이면서 양자 리소스와 고전 리소스를 조율하는 새로운 방법이 필요합니다. 그 기초 작업이 지금 Qiskit Runtime에서 이루어지고 있습니다.
여러 기업에서 IBM과 함께 현실에서 직면한 가장 까다로운 과제를 어떻게 해결하는지 알아보세요.
유용한 양자 컴퓨팅을 전 세계에 보급하려는 IBM Quantum의 사명에 관해 알아보세요.
양자 컴퓨팅은 각종 연구 분야에서 새롭고 멋진 가능성을 제시합니다. 전 세계의 전문가들과 함께 양자 컴퓨팅에 관해 알아보세요.
IBM의 양자 컴퓨터는 Qiskit(ibm.com 외부 링크), IBM 오픈 소스, 파이썬 기반 양자 SDK를 사용하여 프로그래밍됩니다. Qiskit에는 금융, 화학, 최적화 및 머신 러닝 전용 모듈이 있습니다.
- 관련 자료(ibm.com 외부 링크)를 참고하여 빠르게 시작하고, IBM 개발자 툴 모음에 관해서도 자세히 알아보십시오.
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더 큰 워크로드를 다룰 준비가 되셨습니까? 워크로드를 효율적으로 빌드하고 확장하는 IBM 양자 프로그래밍 모델, Qiskit Runtime으로 더 크게 도전하십시오. Qiskit Runtime을 사용하면, 세계 최고 성능의 양자 시스템에서 HPC 하이브리드 컴퓨팅을 손쉽게 활용하면서 맞춤형 양자-고전 애플리케이션을 배치할 수 있습니다. Qiskit Runtime은 양자 회로와 고전 프로세싱을 연계하여 특정 양자 프로그램의 실행 속도를 높이는 실행 환경을 제공합니다. 그러면 세계 최고의 양자 시스템에서 더 빨리 반복하고 레이턴시를 단축하고 컴퓨팅 시간의 제약에서 벗어날 수 있습니다. Qiskit Runtime의 클라우드 기반 실행 모델은 분자 행동 시뮬레이션에서 120배 향상된 속도를 보여주었습니다.