IBM리서치가 양자 비트수를 확장해 복잡하고 엄청난 데이터를 순식간에 처리할 수 있는 양자 컴퓨팅 아키텍처를 개발했다고 한다. 양자 컴퓨터 실현을 위한 큰 숙제인 비트 반전 에러/국면 반전 에러를 보정할 수 있는 용장성(冗長性)을 갖게 한 아키텍처로 규모를 확대시키기 쉽다고 한다. 

용장성: 규정된 기능을 수행하기 위한 요소 또는 수단을 부가하여 그 일부가 고장이 나도 전체로서는 고장이 되지 않는 성질로 redundancy라고도 한다. 

구글(Google)을 포함해 전 세계의 많은 연구소가 양자 컴퓨터를 연구 개발하고 있다. 하지만 양자 컴퓨팅 연구를 30년 째 하고 있는 IBM은 “구글의 선형 설계가 완전히 빗나갔다고 판단하고 있다”고 주장한다. 그 이유로 IBM의 격자모양 설계라면 양자 컴퓨팅에 있어서의 가장 중요한 숙제인 양쪽 모두를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 향후 필요한 모든 사이즈에서의 확장이 가능하기 때문이라고 한다. 

IBM의 양자 컴퓨터에 적절한 아키텍처의 연구는 1981년 노벨상을 수상한 저명한 물리학자인 리차드 파인만(Richard Feynman) 박사가 양자 컴퓨터의 개념을 제시한 정보 물리에 관한 첫 워크숍에 IBM이 참가한 것을 계기로 시작됐다.  

IBM은 그 후 34년 이상 걸쳐서 리차드 파인만의 이론을 발전시켜 독자적인 아키텍처를 만들고 있으며, 이번에 양자의 비트 수를 확실히 확장할 수 있는 디바이스 실현으로 연결되는 실험을 실시해 왔다. 이 기술의 실현에 의해 무어의 법칙이 무한 연장되고 있음을 알 수 있다. 그 이유로는 불과 50양자 비트로 세계에서 가장 고속 컴퓨터 시스템의 상위 500위 랭킹(TOP500)에 랭크한 최고 속도의 슈퍼컴퓨터를 웃돌고 있기 때문이다.

무어의 법칙( Moore`s law): 반도체 집적회로의 성능이 18개월마다 2배로 증가한다는 법칙이다. 경험적인 관찰에 바탕을 두고 있다. 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 내놓은 것이다.  

미국 뉴욕(NewYork) 주 요크타운 하이츠(Yorktown Heights)에 있는 IBM리서치 센터(IBM Research Center)의 제리 차우(Jerry Chow) 실험 양자 컴퓨팅 부문 매니저는 “현재 보고된 4 양자 비트의 시스템 외에 이미 8 양자 비트의 시스템으로 실험을 실시하고 있다. 하지만 다른 설계와는 달리, 우리가 해결한 일련의 과제는 모든 양자 비트수의 초전도 양자 컴퓨터에 적용할 수 있다”고 말했다. 

현재의 프로토타입(prototype)은 상업용 슈퍼 냉각 장치를 이용해 절대온도로 15mK까지 과냉각되고 있다. 또한 IBM에 따르면 이 프로토타입에서는 현재 양자 컴퓨팅에 있어서의 두 가지 최대 중요 과제를 해결했다고 한다. 즉 비트 반전 및 국면 반전의 에러를 보정하고 있는 것과 동시에 어떠한 사이즈에도 완벽하게 확장 가능하다고 한다. 

절대온도(absolute temperature / Kelvin temperature): 물질의 특이성에 의존하지 않는 절대적인 온도를 가리키며, 1848년 켈빈(W.톰슨)이 도입했으며, 켈빈온도 또는 열역학적 온도라고도 한다. 단위는 켈빈(기호: K)이다. 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도로, 이론상 생각할 수 있는 최저온도를 기준으로 하여 온도단위를 갖는 온도를 말한다. 국제도량형위원회는 모든 온도 측정의 기준으로 절대온도를 채택하고 있다. 통계역학적으로 엔트로피를 알면 절대온도 T를 구할 수 있다.  

이어 제리 차우는 “양자 컴퓨터의 발전에 있어서 에러 수정은 가장 중요한 문제이다. 그 이유는 양자 비트는 통상 컴퓨터의 비트와 같이 견고하지 않기 때문이다. 양자 비트는 매우 약하고 환경이나 시스템의 나머지 부분에 있다, 모든 종류의 노이즈에 의해서 도움이 되지 않게 된다”고 강조했다. 

양자컴퓨터

2진법을 쓰는 기존 컴퓨터는 정보의 단위로 비트(bit)를 쓰기 때문에 모든 데이터가 0 또는 1로 나타난다. 이것이 바로 1비트이다. 하지만 양자컴퓨터는 데이터가 0이면서 동시에 1이 될 수 있는 양자역학계가 가지고 있는 고유한 특성인 '중첩'을 이용한 것이다. 

양자컴퓨터는 0 혹은 1의 값만 갖는 비트(bit) 대신, 양자 정보의 기본 단위인 큐비트(qubit: quantum bit)를 이용한다. 이와 같이 0과 1이 양자물리학적으로 중첩된 상태를 양자비트 또는 큐비트라고 한다. 양자역학에 따르면, 원자보다 작은 물질은 파동과 입자의 두 가지 성질을 가질 수 있고, 동시에 여러 곳에 존재할 수 있다. 이를 중첩(superposition)이라 한다. 

이 같은 특성 때문에 큐비트에는 여러 상태가 존재한다. 2개의 큐비트라면 4개의 상태(00, 01, 10, 11)가 가능하고, 더 여러 개가 얽히면 병렬처리 가능한 정보량은 2의 제곱수로 늘어나게 되는 것이다. 병렬로 연결된 1600여 대의 고성능 컴퓨터를 사용해 8개월이 걸리는 129자리 숫자 소인수분해를 양자컴퓨터는 단 몇 시간 만에 해결할 수 있다. 

예를 들어 56비트로 되어 있는 비밀 암호를 무작위로 찾아낼 때 기존의 컴퓨터로는 약 1,000년이 걸리지만 양자컴퓨팅에선 단 4분에 가능하다. 양자컴퓨터는 연산장치를 100배로 늘렸을 때 계산능력이 100배가 아니라 문제에 따라 최고 2의 100제곱 배(약 10의 30제곱, 1 다음에 0이 30개 있는, 경(京)의 100조 배) 정도까지 지수적으로 증가한다. 양자컴퓨터는 양자물리학적인 효과가 두드러진 양자광학이나 나노기술을 바탕으로 만들어지기 때문에 나노기술의 꽃으로 불린다.

IBM Tomas J・Watson 연구소에서 양자 비트의 검출을 실시하는 Jerry Chow

양자 컴퓨터에서 꼭 해결해야 할 에러에는 주로 비트플립(bit flip, 비트 반전) 에러(1이 0로 또는 0이 1에 바뀜)와 비트플립에 의해 신호는 보내는 대신에 서로로부터 당기게 되어 0과 1 사이에는 위상관계가 바뀌어 버리는 위상 플립(phase flip, 국면 반전) 두 가지가 있다.  

하지만 이러한 에러의 양쪽 모두를 해결하는 것은 매우 어렵다. 양쪽 모두의 에러를 해결하기 위해서 IBM은 구글과 같은 선형 어레이의 아키텍처 대신에 사각 아키텍처를 이용했다. IBM에 따르면 선형 어레이의 아키텍처로는 과제 중 한 가지 밖에 해결하지 못하고 양쪽 모두의 해결은 불가능하다고 한다. 

이를 위해 IBM은, 4비트를 정방형으로 배치해 용장성을 4배로 높여 2가지 에러를 동시 감지할 수 있게 해 에러가 없는 확장 가능한 양자 컴퓨터를 실현할 수 있을 가능성이 커졌다. 

제리 차우는 “의미가 있는 계산을 실행하려면 완벽하게 가까운 양자 비트가 없어서는 안된다. 거기에는, 에러 수정을 위해서만 사용하는 양자 비트가 필요하게 된다. 우리는 현재 1양자 비트 안에 존재할 가능성이 있는 에러를 정정할 수 있도록 8양자 비트 아키텍처의 개발도 임하고 있다. 1 양자 비트의 신뢰성을 완벽하게 하기 위해서는 13~17양자 비트 또는 그 이상이 필요하게 된다고 보고 있다”고 말했다. 

그 이유에 대해서 “통상 비트는 0이나 1의 하나의 상태 밖에 취하지 않지만 양자 비트는 ′1′이기도 하고 ′0′이기도 하는 ′중합 상태′를 취한다. 이런 이유로 양자 계산에 있어서 어떠한 상태를 확실히 보존하는 것은 상당히 곤란하다”고 설명한다. 

IBM의 양자 컴퓨팅 아키텍처는 측정할 수 있는 블록을 사용해 양자 비트의 에러를 정정하고 기존 컴퓨터가 할 수 없는 문제를 해결할 수 있게 된다고 한다.

IBM의 4양자 비트 아키텍처로는 2양자 비트로 수치를 보존하고 나머지의 2양자 비트로 비트 반전과 국면 반전의 유무를 각각 확인한다고 한다. 

IBM은 양자 컴퓨팅의 실현을 목표로 하는데 있어서 최고의 목표로 여겨지는 완벽하게 정확한 양자 비트의 실현을 목표로 할 것이라고 한다. 이러한 대처가 성공하면 모든 규모에 확장 가능한 진정한 양자 컴퓨터를 실현하기 위한 기초를 구축할 수 있다. IBM는 이러한 목표를 달성할 수 있도록 양자 비트를 보다 더 추가하는 것에 의해서 기존 아키텍처를 확대해 갈 예정이라고 한다.  

현재 양자 컴퓨터 전용의 에러 수정 기술인 서피스 코드(Surface code)를 구비한 8비트 격자를 이용하고 있다. 이러한 대처에 의해 진정한 양자 컴퓨터의 시장 투입을 실현해 가는데 있어서 불가결하게 여겨지는 양자 정보의 보호나 양자 에러 수정을 확실히 제공할 수 있게 될 것으로 예상된다. 

제리 카우는 “최상의 목표로 되어 있는 완성도를 실현하는데 있어서 확장 가능한 격자에 필요하게 되는 양자 비트의 수는 8개, 13개, 17개, 49개 중 하나가 될 것으로 예상된다. 또한 아키텍처의 형태도 장방형이나 육각형 등 대칭적 배치로 변경할 필요가 있을 것이다. 우리는 확실히 달성 가능한 목표이라고 확신하고 있다”고 밝혔다. 

양자 컴퓨터가 실현되면 모든 종류의 기존 암호화 코드를 해독할 수 있게 되는 것 외에 해독 불가능한 코드를 새롭게 작성하는 것도 가능하게 된다. 그리고 연구자들에게 있어서는 기존 컴퓨터로는 시뮬레이션할 수 없는 물리적 프로세스도 실행 가능하게 될 것이다.  

때문에 현재는 상상도 할 수 없는 일들이 일어난다. 빅데이터 처리 등 양자 컴퓨터에 의해서 모든 업계가 새로운 혁신의 시대를 맞이하게 될 것이다. 

IBM의 이번 연구는 미국 고등정보연구계획국(IARPA)의 ′MQCO(Multi Quibit Coherent Operation) 프로그램′의 일부 자금을 지원받고 있다고 한다.