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Nikkei X-TECH_2023.3.28

이화학연구소, 양자컴퓨터 공개
앞으로 넘어야 할 세 가지 과제란?

이화학연구소, 산업기술종합연구소, 정보통신연구기구(NICT), 오사카대학, 후지쓰, NTT는 3월 27일 초전도 방식의 양자컴퓨터 클라우드 서비스 ‘양자계산 클라우드 서비스’를 개시했다. 이날 기자회견에서는 실용적인 양자컴퓨터를 지향하는 데 해결해야 할 과제 등이 제시되었다.

“(실용적인 양자컴퓨터 개발은) 긴 레이스가 될 것이다. 선도하고 있는 그룹은 전세계에 몇 곳 있지만, 우리가 기여할 수 있는 여지는 충분히 있다”. 이화학연구소 양자컴퓨터 연구센터의 나카무라(中村) 센터장은 3월 27일에 개최된 기자 회견에서 양자컴퓨터 개발 및 공개에서 미국이나 중국에 뒤처져온 일본이 지금부터 추격해나가는 의의에 대해 이렇게 설명했다.

이번에 이화학연구소 등이 공개한 양자컴퓨터는 이화학연구소와 공동 연구 계약을 맺은 기업 및 연구기관이 실제 기기를 무상으로 이용할 수 있다. 하드웨어는 이화학연구소와 산업기술종합연구소, 후지쓰가 개발. 큐비트에 마이크로파를 조사(照射)해 컨트롤하는 소프트웨어와 양자컴퓨터를 인터넷으로 조작할 수 있도록 하는 소프트웨어 등은 오사카대학과 NTT가 중심이 되어 개발했다.

이미 IBM이 일본 내에 실제 양자컴퓨터를 설치해 외부에서의 이용이 가능하게 하고 있으며, 미국과 영국, 캐나다의 스타트업들이 개발한 양자컴퓨터도 미국 아마존웹서비스 및 마이크로소프트의 클라우드 서비스를 통해 이용할 수 있다. 이화학연구소의 이번 발표에 따라 일본에서 개발된 실제 국산 양자컴퓨터도 시험해볼 수 있게 되는 것이다.

이화학연구소로서는 실제 기기를 사용할 수 있도록 함으로써 재료 탐색이나 양자 화학 계산 등 양자컴퓨터의 활용을 모색했을 때 직면한 과제들을 유저와 공유하거나, 새롭게 개발된 하드웨어 측 기술과의 상성에 대해 검증해 그 결과를 유저와 공유하는 등의 연계가 용이해진다. 또한 인터넷으로 접속할 수 있도록 함으로써 새로운 알고리즘을 탐색하는 연구자나 개발자 등 유저 층 확대도 기대할 수 있다.

-- 넘어야 할 3가지 과제 --
이번에 이화학연구소가 공개한 양자컴퓨터 1호기는 64큐비트가 탑재된 하드웨어이다. 하지만 이것만으로는 아직 현행 방식의 컴퓨터(고전 컴퓨터)를 뛰어넘는 압도적인 처리 능력을 발휘할 수 없다. 양자 오류 정정이 가능하고 실용적인 성능을 갖는 양자컴퓨터를 지향하는 데 있어 해결해야 할 과제는 3가지가 있다.

첫 번째는 큐비트를 지금보다 더 늘릴 필요가 있다. 양자컴퓨터의 실용화에는 100만큐비트 이상이 필요하다는 견해가 주류이지만, 오사카대학과 후지쓰는 2023년 3월, 1만큐비트로도 고전 컴퓨터보다 10만 배 빠른 양자컴퓨터를 실현할 수 있다는 새로운 아키텍처를 발표했다.

이화학연구소도 앞으로 큐비트 수를 더 늘린다는 방침을 밝혔다. 이를 위해 이화학연구소는 큐비트 칩에 미래의 대규모화를 겨냥한 제어 배선을 채택하고 있다. 통상적으로는 큐비트가 탑재된 칩의 수평 방향으로 제어용 배선을 배치하지만, 이화학연구소의 경우는 수직 방향으로 배치함으로써 배선의 크로스토크(혼선)를 막아 집적화를 가능하게 했다.

-- 큐비트의 정밀도 및 품질에 과제 --
두 번째는 큐비트의 정밀도를 높일 필요가 있다. 큐비트의 정밀도에 관련해서는 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 상관 시간(Coherence Time)과 계산 조작인 게이트 조작의 정확성을 나타내는 충실도(Fidelity) 등이 중요하다. 3월 27일의 기자회견에서 이화학연구소는 1호기의 각종 정밀도를 제시했다.

이화학연구소가 발표한 것은 복수의 큐비트가 기록한 최상의 수치이다. 2큐비트 게이트의 충실도는 0.991로, 경쟁 양자컴퓨터와 비교해 좋은 수치이긴 하지만 아직 양자 오류 정정이 가능한 수준에는 이르지 못했다. 더욱 정밀도를 향상시킬 필요가 있다.

세 번째는 큐비트 칩의 제조 품질을 향상시킬 필요가 있다는 것이다. 이번에 이화학연구소가 공개한 1호기는 64큐비트를 탑재하지만, 실제 기능하는 것은 그 중 53큐비트에 불과하다. 1개의 큐비트는 제조 불량, 8개의 큐비트는 판독 증폭기 배선 불량으로 여겨지는 오류, 2개의 큐비트는 인접한 큐비트 간의 주파수 충돌로 작동하지 않았다. 또한 큐비트 간의 접속성에도 현재로서는 일부 문제가 있다.

향후에는 하드웨어의 성능을 100% 발휘할 수 있도록 이러한 디바이스 불량을 줄일 필요가 있다.

-- 영국 스타트업의 실제 기기도 가동 예정 --
양자컴퓨터 개발 경쟁은 앞으로 더욱 가속화될 전망이다. 일본에서도 올 가을, IBM과 이화학연구소에 이은 세 번째 실제 기기가 가동된다. 영국 옥스퍼드대학에서 스핀아웃한 스타트업, 영국의 'Oxford Quantum Circuits(OQC)'이 도쿄 시내에 있는 미국 Equinix의 데이터센터를 통해 양자컴퓨터 상용 제공을 시작한다.

OQC가 Equinix 데이터센터에 설치한 양자컴퓨터는 인터넷이 아닌 전용선 경유로 이용할 수 있다는 것이 특징이다. 이화학연구소와 같은 초전도 방식의 양자컴퓨터로, 이화학연구소와 마찬가지로 큐비트의 제어 배선을 수직 방향으로 배치하고 있다.

OQC가 일본에서 제공하는 큐비트칩 '토시코(TOSHIKO'는 출시 시 32큐비트가 탑재될 예정이다. OQC가 닛케이크로스텍과의 인터뷰에서 밝힌 큐비트 정밀도의 목표 수치는 1큐비트 게이트의 충실도에서 0.999, 2큐비트 게이트의 충실도에서는 0.96을 목표로 한다고 한다.

이 밖에도 이화학연구소와 후지쓰의 ‘이화학연구소RQC-후지쓰 제휴센터’도 2024년 3월까지 초전도 양자컴퓨터의 실제 기기 공개를 목표로 하고 있다. 향후 일본에서 실제기기를 사용한 양자컴퓨터 검증이 단번에 가속화 될 것으로 보인다.

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