내결함성 양자 컴퓨팅(Fault-tolerant quantum computing)은 양자 컴퓨터가 오류에 강하게 설계되어 신뢰성 있게 계산을 수행할 수 있도록 하는 기술이다. 양자 컴퓨팅은 노이즈와 오류에 민감하기 때문에, 오류 교정 코드를 통해 특정 수준의 오류를 무시하거나 수정하며 계산을 지속할 수 있다. 이를 통해 양자 알고리듬이 정확하게 실행되며, 대규모 양자 컴퓨터 실현의 중요한 기반이 된다.

초전도 양자 컴퓨팅 분야의 글로벌 리더인 IQM 퀀텀 컴퓨터(IQM Quantum Computers, 이하 IQM)가 2030년까지 내결함성 양자 컴퓨팅을 목표로 하는 개발 로드맵을 발표했다.

IQM은 보다 빠른 시기에 사용할 수 있도록 전용 오류 허용 중간 규모 양자(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ) 접근 방식을 사용할 수 있도록 했다. 이 방식은 현재 실현된 중간 규모의 양자 컴퓨터를 지칭하는 용어로, 수십에서 수백 개의 양자 비트를 가진 시스템을 의미한다. NISQ 시스템은 완벽한 오류 보정이 어렵고 노이즈와 결함이 있는 특성을 가지지만, 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 문제를 해결할 가능성을 탐구한다. 이는 양자 컴퓨터가 대규모 상용화되기 이전 단계로, 다양한 실험적 연구와 응용 개발에 활용되며 양자 알고리듬과 하드웨어 발전을 이끄는 중요한 시기이다.

IQM은 창립 이래 처음 3세대의 프로세서를 기반으로 풀스택 양자 컴퓨터를 개발해왔으며, 이번 새로운 로드맵은 새로운 알고리듬 접근 방식, 모듈식 소프트웨어 통합 및 확장 가능한 하드웨어 발전을 반영하고 있다. 이 로드맵은 개방형 소프트웨어 스택에 의해 제어되는 풀 스택 시스템에 원할하게 통합되는 차세대 양자 프로세서 설계 기술을 활용한다.

IQM의 고유한 공동 설계 기능은 IQM의 두 프로세서 토폴로지인 IQM 스타(IQM Star)와 IQM 크리스탈(IQM Crystal)을 병합해 높은 시스템 성능으로 효율적인 오류 수정을 구현한다. 로드맵 실현을 위해 IQM은 R&D, 테스트 및 제조 시설에 체계적으로 투자해 높은 큐비트 품질과 게이트 충실도를 유지하면서 최대 100만 큐비트까지 기술을 확장시킬 계획이다.

이를 위해 개발자 커뮤니티를 지원하고 양자 컴퓨팅의 사용을 용이하게 하기 위해 IQM은 긴밀한 고성능 컴퓨팅(HPC) 통합과 특수 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 만들 것이다. 개방형 인터페이스는 양자 오류 완화, IQM의 양자 컴퓨터에 대한 라이브러리 및 사용 사례 공동 개발을 포함한 생태계를 강화할 방침이다.

IQM은 양자 시뮬레이션, 최적화 및 양자 기계 학습에 중점을 두고 여러 산업 영역에서 양자 이점을 달성하는 것을 목표로 한다. 맥킨지(McKinsey) 보고서에 따르면, 이렇게 선정된 사용 사례는 2035년까지 280억달러 이상의 가치 잠재력을 발휘하게 할 것이다.

양자 이점은 수백에서 수천 개의 고정밀 논리 큐비트가 있는 완전히 오류 수정된 시스템에 의해 제공되며, 그런 큐비트들에 대해 새로운 양자 저밀도 패리티 검사(QLDPC) 코드를 효율적으로 구현해 오류 수정이 가능하다. 이 접근 방식은 표면 코드 구현에 비해 하드웨어 간접비를 최대 10배까지 줄인다.

또한 IQM은 오류율이 10^-7 미만인 고정밀 논리 큐비트를 목표로 해 화학 및 재료 과학과 같이 탁월한 정확도가 필요한 응용 분야에 양자 이점을 가능하게 한다.

IQM 퀀텀 컴퓨터의 공동 창립자이자 공동 CEO인 얀 괴츠(Jan Goetz) 박사는 “우리는 고유하게 연결된 스타(Star) 토폴로지, 장거리 커플러, 고급 패키징 및 신호 라우팅을 위한 매우 컴팩트한 접근 방식에 의해 가능해진 새로운 칩 토폴로지를 통해 퀀텀 저밀도 패리티 검사(QLDPC) 코드를 구현하고 있다.”라며 “이는 하드웨어 효율성에 대한 우리의 약속을 강조하며, 개방형 모듈식 소프트웨어 아키텍처와 결합된 내결함성에 대한 실현 가능하고 확장 가능한 경로를 가능하게 한다”라고 말했다.

괴츠는 회사의 독점적인 클린룸 시설이 고유한 장거리 연결을 가진 복잡한 프로세서의 제조를 지원해 고성능 양자 프로세서를 촉진할 것이라고 강조한다. 이를 위해 IQM은 오류율을 줄이겠다는 야심찬 목표로 고급 패키징 및 3D 통합을 위한 새로운 솔루션을 구현할 예정이다.

한편 대규모 프로세서는 모듈식 방식으로 구축되고 극저온 전자 장치로 구동될 것이다. 그 결과 열 부하가 감소하고, 패키징 솔루션이 매우 소형화되며, 큐비트당 비용이 절감된다.

[알림] ‘GTT KOREA’와 ‘전자신문인터넷’이 공동으로 주최하는 “NSWS(Next Smart Work Summit) 2024”에서는 글로벌 스마트워크 솔루션 선도 기업들이 참여하여 최신 기술과 시장 동향, 그리고 기업이 당면한 문제의 해결 방안을 심도 있게 다룰 예정이다. 이번 서밋에서는 AI와 스마트워크를 활용한 혁신적인 업무 환경 구축 및 활용 전략 공유와 함께 전시 부스를 통해 기업에 필요한 다양한 스마트워크 활용법을 구체적으로 체험해 볼 수 있는 장도 마련된다.