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Nikkei X-TECH_2021.7.8

새로운 방식의 양자 어닐링 머신 검증
산업기술종합연구소, D웨이브의 방식보다 구현이 용이

7월 6일, 산업기술종합연구소가 6 큐비트(Qubit)로 구성된 초전도 양자 어닐링 머신 제조와 동작 검증에 성공했다고 발표했다. 이 양자 어닐링 머신에는 ‘ASAC’라고 하는 산업기술종합연구소가 독자적으로 개발한 아키텍처를 도입했다. 이 ASAC는 초전도 양자 어닐링 머신의 대명사라고도 할 수 있는 캐나다 D웨이브의 양자 어닐링 머신이 채택하고 있는 ‘그래프 삽입’과는 다른 것이다. 산업기술종합연구에 따르면, ASAC는 풀 수 있는 조합의 최적화를 찾아내는 문제의 종류가 한정되어 있지만, 동일한 문제에 대해 그래프 삽입보다 1자리 수 정도 적은 큐비트 수로 대응할 수 있다는 장점이 있다고 한다.

양자 어닐링 머신은 조합의 최적화 등의 문제 해결에 사용하는 머신이며, 자연 현상을 이용한 내츄럴 컴퓨팅의 일종이다. 문제 해결에서는 우선 문제를 ‘이징모형(Ising model)’이라고 하는 상향 또는 하향의 2가지 상태를 취하는 다수의 스핀(큐비트)이 상호 작용하는 모델로 표현한다. 머신 상에 이 이징모형을 매핑, 전체 에너지가 최소가 되는 스핀 상태의 조합으로 수렴시켜 그 상태를 관측해 문제의 답을 얻는다. 현재 세계 최대 규모의 양자 어닐링 머신은 D웨이브가 개발한 약 5,000 큐비트 머신이다.

산업기술종합연구소가 개발한 양자 어닐링 머신에는 필요 최소한의 큐비트 수로 대규모 조합의 최적화 문제를 풀 수 있는 독자적으로 개발한 ASAC 방식이 채택되어 있다. ASAC는 D웨이브의 머신처럼 폭넓은 조합의 최적화 문제를 푸는 것이 아닌, 하나의 조합 최적화 문제에 특화된 방식이다. 구체적으로는, 풀고 싶은 조합의 최적화 문제에 대응하는 스핀 간 상호 작용의 강도가 고정된 전용 하드웨어를 어레인지한다.

ASAC는 이하의 2가지 이유로 그래프 삽입 방식보다 구현이 용이하다. 하나는, 스핀 간의 상호 작용의 강도를 제어하기 위한 회로가 불필요해 집적도가 낮아지기 때문. 다른 하나는 처음부터 풀고 싶은 문제에 대응해 구현되기 때문에 매핑 시에 필요한 용장 큐비트 수를 그래프 삽입보다 1자리 수 정도 줄일 수 있다. 하지만 구현의 난이도는 낮아진 반면, 다양한 문제를 풀 수 없다는 단점이 있다.

산업기술 종합연구소는 고전 2 비트 곱셈 회로 양자 어닐링 머신을 개발해 절대 온도 10mK(밀리켈빈)으로 동작을 검증했다. 산업기술종합연구소는 이 동작 검증을 한 이유에 대해 “주어진 고전 논리 회로의 올바른 동작을 요구하는 문제는 조합의 최적화 문제로 변환할 수 있다“라고 설명한다. 1만 회를 측정한 결과, 정답이 8,086회, 오답은 1,914회였다. “이번 성과는 대규모 조합의 최적화 문제 처리가 가능한 실용적 초전도 양자 어닐링 머신 실현을 위한 중요한 기반 기술이 될 것이다”(산업기술종합연구소).

산업기술종합연구소는 향후, 대규모 양자 어닐링 머신의 제조·동작 검증을 통해 ASAC 방식의 우위성을 실증하는 것을 목표로 하고 있다. 이번에 개발한 6 큐비트의 곱셈 회로 유닛을 연결해 대규모화를 도모해 나갈 방침이며, 정답율 향상을 위해 노이즈 저감 기술 및 고품질 큐비트 제조기술을 개발해 나간다고 한다.

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