QPU 양자 컴퓨터 - Intro (2) [스크랩]

 
IBM에서 정의하는 양자 연산의 basic building block은 "the” qubit 큐비트이다. 
이 큐비트는 superconducting components 초전도체 요소로 만든다.
큐비트 정보는 외부와의 상호작용으로 쉽게 손상될 수 있기 때문에 전기저항이 0인 초전도체로 만든다.

 

 

Josephson junction 조셉슨 접합

 
각각의 물리적인 큐비트는 두 초전도체 판으로 이루어져 있는데 이건 캐패시터 역할을 한다. 
두 초전도체 판 사이에 얇은 절연체를 끼우는데 이 구조를 Josephson junction 조셉슨 접합이라 한다.
이 접합은 손실 없는 비선형 인덕터 역할을 한다.
 
- 손실 없다 - 초전도체 특징. 저항이 0이기 때문에 전기가 에너지 손실 없이 흐를 수 있다.
- 비선형 인덕터 - 전류와 전압의 관계가 선형적이지 않다. 즉 비례하지 않는다. 
 
그림을 봐보자. 
 

첫 그림의 설명에 "전압이 인가되지 않은 상태에서 접합을 통하는 전류 흐름 J가 있다"라고 한다. 

여기서 전류 흐름이 생기다는 건 터널링 현상 때문인데 간단히 얘기하면 입자가 "장벽"을 뚫는 것 (barrier penetration)을 말한다. 

아래 그림처럼 입자가 절연층을 뚫는 것이다. 더 자세한 내용은 따로 다루겠다. 

 

조셉슨 접합에 흐르는 전류는 quantized 양자화 되어있다. 즉 이산적인 값으로 고정되어 있다는 뜻이다. 

조셉슨 접합은 그 값들 중에 또는 그 것들의 중첩 상태 중에 단 두 가지만 실질적으로 접근하도록 한다.

 

그래서 큐비트는 두 개의 전류 레벨에 인코딩되어 있다. 하나는 0이고 하나는 1을 나타낸다.

하지만 앞서 얘기했듯이, 큐비트는 0과 1상태의 중첩으로도 존재함을 기억하자. 

 

 

 

초전도체는 매우 낮은 온도를 유지해야하기 때문에 이 큐비트들은 dilution refrigerator라는 특별한 액체 헬륨 냉장고를 사용한다.

(He-3과 He-4온도가 낮아질수록 He-3이 희석되기 때문에 dilution 희석이라고 한다.)

 

 

 

QPU 하드웨어

큐비트의 상태를 바꾸거나 큐비트를 couple 엮으려면 quantum instructions가 필요한데 보통 gate라 알려져 있다.

이것은 특별히 제작된 마이크로파 파형들이다.

 

 

 

quantum circuit 양자 회로라고 불리는 일련의 quantum instructions가 존재한다.

이를 받아들여 이진 문자열로 표현된 출력을 리턴할 수 있도록 하는 하드웨어가 QPU에 포함되어 있다.

 

QPU에는 큐비트뿐만 아니라 신호 증폭, 장치를 제어하는 요소가 있다.

메모리에 명령어들을 저장하고, 신호에서 노이즈를 분리하고 더하고, 단일 이진 출력을 생성하는 데 필요한 고전 계산 기능도 포함되어 있다. 

 

 

Challenge

큐비트는 supersensitive 매우 민감하다.

외부 노이즈, 전자기기 자체의 노이즈, 다른 큐비트에서 오는 crosstalk (누화: 의도하지 않은 간섭) 은 모두 양자 성질을 망칠 수 있다. 

그래서 이런 노이즈들을 잘 컨트롤하는 게 중요하다. 

 

 

발전

2023 - 퀀텀 게이트를 구현하는 새로운 방법을 고안했다.

tunable couplers 가변 커플러라는 component를 사용한다. 

- tunable: 조율 가능한

- coupler: 컴텀 게이트를 실행하는 장치

 

그전에는 crosstalk을 방지하기 위해 큐비트들이 각기 다른 주파수에 반응하도록 했다.

이렇게 하면 큐비트가 서로와 상호작용하게끔 하는 게 너무 어려워졌다.

또 프로세서도 느려졌다.

 

이 가변 커플러를 사용하면 특정 주파수에만 조작하지 않아도 된다.

대신 스위치를 자기장을 켜고 꺼서 큐비트가 다른 큐비트와 상호작용할지 아닐지 결정한다.

 

궁극적으로는 큐비트들의 crosstalk 오류를 제거함으로써 더 빠르고 더 reliable 해졌다. 

 

 

오류 완화

Error mitigation 오류 완화로 노이즈를 해결할 수 있다.

 

(IBM의 경우) 퀀텀 프로그램을 실행하고 시스템에 있는 노이즈가 프로그램의 출력값을 어떻게 바꾸는 지 분석해 노이즈 모델은 만든다.

 그리고 고전 컴퓨팅으로 이 모델에서 노이즈-프리한 결과는 어떨 지 찾아낸다.

 

또 Error correction 오류 정정도 있다.

오류 정정은 모델을 만들 필요 없이 오류가 발생하면 제거한다.

또한 오류 완화는 퀀텀 회로가 복잡해질 수록 효과가 제한되는 반면에 오류 정정은 큰 스케일에서도 작동한다.

 

그렇지만 오류 정정은 큰 비용이 따른다.

오류 정정은 더 많은 큐비트와 연결 정도, 더 많은 게이트가 필요하다.

하나의 큐비트 연산을 위해 더 많은 큐비트가 필요할 수 있는 것이다.

최근 하드웨어의 개선과 더 나은 오류 정정 코드를 찾고자 하는 노력은 이 비용을 감수할 수 있는 슈퍼컴퓨터를 비전하게 했다.

 

 

 

오류 정정

퀀텀 오류 정정은 고전 컴퓨터보다 더 involved 복잡하다.

일단 정정이 되려면 하드웨어 에러율이 특정 임계값 아래여야 한다.

 그래서 이론학자들은 좀 더 느슨한 임계값을 갖도록 하는 정정 코드를 제시했고 퀀텀 컴퓨터 공학자들은 더 나은 퍼포먼스를 제공하는 시스템을 개발했다. 

하지만 아직 큰 스케일 연산을 감당하는 에러 정정 코드를 사용하는 퀀텀 컴퓨터는 없다.

 

 

 

그렇지만 오류 정정 이론은 계속 발전해왔다.

Moscow State University의 Pavel Panteleev와 Gleb Kalachev는 2021 페이퍼에 "good codes" 좋은 코드의 이론적 존재 가능성을 밝혔다. 

이 아이디어는 추가적인 큐비트가 오류 정정을 더 잘 시행할 수 있도록 한다.

 

이 페이퍼는 quantum low-density parity check 즉 qLDPC라고 하는 리서치 분야의 폭증을 가져왔다.

 

올해 초에도 IBM에서 qLDPC 코드를 발표했었다.

이 코드는 near-term 근래의 퀀텀 컴퓨터에 구현 가능하도록 에러 임계치를 충분히 높였다. 

connectivity는 기존에 제공하던 것보단 조금 더 필요했지만 기존 방법들보단 1/10의 큐비트를 사용한다.

 

이런 이론적 연구는 큰 스케일에서 사용가능한 에러 정정 퀀텀 컴퓨터를 상상하게 하고 고전 컴퓨팅을 최대한 leverage 하게 한다.

 

 

 

---

 

 이렇게 하려면 더 큰 QPU를 만들거나 여러 QPU를 연결해야 한다. 또한 고전 컴퓨팅을 퀀텀 시스템에 합칠 수 있어야 한다.

작년에 IBM Quantum System Two라는 scalable 한 퀀텀 컴퓨팅 시스템 프로토타입을 만들기 시작했다.

고전적인 슈퍼컴퓨터에 랙을 더 추가해서 큰 시스템을 만드는 것처럼 여기서도 한 냉장고 안에 많은 퀀텀 프로세서를 넣고 여러 냉장고를 합쳐 큰 시스템을 만든다.  

 

 

또 앞으로 내다보는 10년의 비전이 있다. 

- interconnects: m-coupler, l-coupler, on-chip coupler

- better error-correction

 

 

 

 

+) 여기서는 제목에서처럼 Quantum Supercomputer라는 말이 아닌 Quantum-centric supercomputer라는 말을 사용한다.

왜냐하면 퀀텀 컴퓨터가 클래식 컴퓨터를 완전히 대체하는 게 비전이 아니기 때문이다.

고전 컴퓨터는 calibration 보정, result storage, error mitigation 완화, suppression 억제, 또 미래의 error correction을 위해 필요하다. 

고전 컴퓨팅의 중요성을 역설한다.

 

출처: 
IBM’s Big Bet on the Quantum-Centric Supercomputer
Spectrum IEEE September 2024

 

틀린 내용이 있을 수 있습니다.