양자컴퓨터의 두뇌인 QPU란?
기존의 컴퓨터와 완전히 다른 계산방식을 채용하고 있기 때문에 압도적인 속도와 양의 계산을 해낼 수 있는 양자컴퓨터의 계산유닛 'QPU'에 대해서 반도체 기업 NVIDIA가 설명했습니다.
What Is a QPU? | NVIDIA Blogs
https://blogs.nvidia.com/blog/2022/07/29/what-is-a-qpu/
What Is a QPU?
A QPU, aka a quantum processor, is the brain of a quantum computer that uses the behavior of particles like electrons or photons to make certain kinds of calculations much faster than processors in today’s computers.
blogs.nvidia.com
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로 계산에 시간이 걸리기 때문에 해결이 사실상 불가능이라고 여겨진 문제도 해결할 가능성이 기대되고 있습니다. 예를 들어 다양한 암호화 기술의 핵심인 인수분해 계산도 양자컴퓨터로 순식간에 해결할 수 있습니다. 물론 오늘날의 암호화 기술이 가지는 보안성을 순식간에 파괴해 버릴 가능성은 있지만 동시에 지금까지 이상으로 해독이 어려운 암호를 개발할 수도 있습니다. 그 밖에도 원자 수준에서 양자역학을 시뮬레이션하거나 단백질이나 약품 등의 구조해석, 비행기 설계 등 온갖 분야에서 활약이 기대됩니다.
QPU란 양자컴퓨터의 두뇌를 말하며 전자나 광자 등의 운동을 이용하여 기존 컴퓨터의 프로세서보다 훨씬 빨리 특정 종류의 계산을 수행합니다. QPU는 양자중첩이나 양자얽힘이라는 양자역학의 현상을 이용해 병렬계산을 합니다. 한편 기존의 컴퓨터에 사용되는 CPU나 GPU 등은 고전 물리학의 원리를 전류에 응용한 것입니다. 따라서 양자컴퓨터의 경우 기존 컴퓨터를 '고전 컴퓨터'라고 부릅니다.
예를 들어 CPU와 GPU는 전류의 온 또는 오프 상태를 비트단위로 계산을 하지만 QPU의 양자비트에서는 0과 1뿐만 아니라 0과 1이 중첩한 상태를 나타낼 수 있습니다. 3비트의 경우는 「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」중 한 번에 나타낼 수 있는 것은 어느 1개뿐입니다. 그러나 양자비트는 0과 1의 중첩상태를 나타낼 수 있으므로 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있습니다.
양자컴퓨터에서는 기존의 컴퓨터에서 하나하나 하고 있던 계산을 동시에 병렬로 실시할 수 있게 되기 때문에 지금까지의 컴퓨터에서는 막대한 시간이 필요했던 계산도 빠르게 끝낼 수가 있습니다. 예를 들어 양자컴퓨팅 기업인 Quantum Computing Inc.(QCI)는 BMW와 Amazon Web Services가 내놓은 차량센서 배치에 관한 3854개의 변수와 500개 이상의 조건이 주어진 문제를 해결했다고 발표했습니다. 이 문제는 기존의 고전 컴퓨터라면 매우 시간이 걸리는 문제였지만 QCI의 양자컴퓨터는 불과 6분 만에 답을 냈다고 합니다.
물론 양자비트 수가 많을수록 가능한 병렬계산의 양이 늘어나므로 양자비트 수는 QPU의 능력에 직결됩니다. 또한 양자컴퓨터 연구자들은 QPU의 성능을 테스트하고 측정하는 방법을 모색하고 있습니다.
QPU에 양자비트를 구축하는 방법으로 가장 인기 있는 접근법이 '초전도 양자비트' 기술로 2개의 초전도체 사이에 절연체를 포개는 조셉슨 접합으로 쿠퍼쌍(Cooper pair)이라고 불리는 2개의 전자가 터널 효과로 인해 절연체를 통과하는 현상을 이용하여 양자역학적 중첩을 실현한다는 것입니다. 양자비트에 사용되는 초전도체의 상태를 지속시키기 위해 양자컴퓨터의 회로는 액체 질소 등으로 극저온에서 동작시켜야 합니다.
또한 일부 기업은 전자가 아닌 광자를 사용하여 양자비트를 개발하고 있습니다. 광자의 진동이나 경로를 0~1로 계산하기 때문에 초전도 양자비트와 달리 액체 질소 등으로 양자비트를 극저온으로 유지할 필요가 없습니다. 그러나 광자를 관리하기 위해 레이저와 고급 검출기가 필요하며 검출시 오류가 발생하기 쉽다는 점이 단점입니다.
그 밖에도 전자장에서 하전입자(이온)를 가늘게 하는 이온트랩을 이용하여 양자중첩 상태를 만들어내는 이온트랩형 양자비트 등 양자비트의 실현에는 다양한 방법이 연구되고 있습니다. NVIDIA는 “지금은 양자컴퓨터의 여명기이기 때문에 QPU의 양자비트에 어떤 종류의 양자비트가 널리 사용되게 될지는 밝혀지지 않았다”고 설명했습니다.
그러나 두 가지 방법 모두 극저온을 유지할 수 있는 냉장고, 진공 인클로저, 전자기 차폐 등 일반 가정에는 설치할 수 없는 시설이 필요합니다. 따라서 양자컴퓨터는 주로 슈퍼컴퓨팅이 요구되는 연구시설과 대규모 데이터센터에 설치될 것으로 예상됩니다.
하드웨어 레벨에서는 QPU는 현실 세계의 많은 일에 대응할 수 있을 만큼 강력하지 않고 신뢰성도 충분하지 않으며 QPU에 대응한 소프트웨어도 아직 초기 단계이고 이런 과정은 고전 컴퓨터의 여명기에 어셈블리 언어의 엔지니어들이 경험한 것과 유사하고 NVIDIA는 보고 있습니다.
그러나 Amazon이나 IBM, IonQ, Rigetti, Xanadu 등 여러 기업이 하드웨어 연구에 투자하고 있으며 양자컴퓨터용 소프트웨어 환경을 정돈하는 프로젝트가 다양한 기업에 의해 진행되고 있다고 합니다. NVIDIA는 양자컴퓨터와 고전 컴퓨터를 연계시킨 하이브리드 양자컴퓨팅 시스템을 프로그래밍하기 위한 오픈 플랫폼인 Quantum Optimized Device Architecture(QODA)를 발표했습니다.