FPGA(현장에서 프로그래밍이 가능한 게이트 어레이)는 동적 재구성 기능을 제공해 디지털 큐비트의 구현 및 검증이 가능하다. 특히 FPGA에서 디지털 양자 게이트 체인을 구현하면 고전 컴퓨팅 아키텍처 내에서 양자 컴퓨팅 동작을 시뮬레이션하고 검증할 수 있다.

따라서 이를 통해 양자 컴퓨팅의 반복 구현 및 신뢰성 제공, 하드웨어 구현 복잡성 및 비용 축소가 가능하다.

글로벌 증강 현실 기업 와이마이(WiMi)가 양자 비트(큐비트)를 ‘디지털 큐비트’로 취급하는 FPGA 기반 ‘디지털 양자 컴퓨터’ 검증 기술을 개발했다.

디지털 큐비트는 특정 디지털 양자 게이트에 의해 작동되며, 기존 디지털 회로를 통해 양자 상태를 표현하고 조작하는 등 그 동작은 고전 컴퓨팅의 논리 게이트와 유사하나 양자 컴퓨팅 용도에 맞게 설계됐다.

FPGA에서 디지털 큐비트의 프로토타입을 설계했으며, 양자 상태의 변환에 하드웨어 설명 언어(HDL)가 사용됐다. 양자 상태는 서로 다른 디지털 상태로 이산화되며, 디지털 양자 게이트는 이러한 상태 간의 변환을 담당한다. 예를 들어, 하다마드 게이트 체인이 FPGA에서 구현되어 큐비트의 상태 전환을 시뮬레이션한다. 이 설계는 FPGA 기반 디지털 양자 컴퓨팅 모델의 타당성을 검증한다.

이러한 게이트 체인을 FPGA에 구현할 수 있어 다양한 양자 알고리듬의 작업들의 시뮬레이션이 가능하다. 가령 쇼어 알고리즘의 시뮬레이션에서 비정형 상태를 제어하는 디지털 양자 게이트 체인을 구현할 수 있다. 이러한 게이트 체인은 FPGA의 여러 논리 유닛에 분산되어 병렬 처리 및 파이프라인 기술을 통해 계산 효율을 향상한다.

또한, FPGA 기반 검증 플랫폼을 사용한 디지털 양자 컴퓨터의 모니터링이 가능하다. 디지털 큐비트의 동작을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 외부 인터페이스를 통해 고전 컴퓨팅 시스템과의 상호 작용이 가능하다. 특히, 디지털 양자 컴퓨터의 이론적 및 시뮬레이션 일관성을 입증을 비롯해 실제 하드웨어에서의 동작 가능성을 검증한다.

이 모델은 각 양자 상태를 이산 상태에 매핑하고 상태 전환을 통해 양자 컴퓨팅에서 상태 변화를 시뮬레이션한다. 이후 상태 다이어그램을 사용해 각 큐비트의 가능한 상태와 그 사이의 전환을 시각화한다.

또한 디지털 양자 게이트 체인을 구축할 때, 양자 계산의 특정 요구 사항에 따라 서로 다른 양자 게이트 조합을 설계한다. 예를 들어, 그로버(Grover) 알고리듬의 경우, 검색 프로세스를 가속하기 위해 상태 전환을 제어하는 양자 게이트 체인을 설계했다. 각 게이트 체인은 일련의 논리 게이트로 구성되며, FPGA에 구현될 때 최적화된 논리 유닛 구성을 사용해 계산 효율과 자원 활용도를 높인다.

특히, 게이트 체인의 논리 설계를 최적화해 FPGA의 논리 유닛 사용이 줄어들고, 타이밍 최적화와 병렬 처리를 통해 계산 효율을 높였다. 또한, FPGA의 동적 재구성 기능을 활용해 재구성이 가능한 디지털 양자 컴퓨팅 아키텍처를 구현했다.

기존의 양자 컴퓨터 개발은 종종 고가의 양자 장치를 필요로 하나, 이번에 출시한 디지털 양자 컴퓨터는 기존 FPGA 하드웨어를 사용해 구현할 수 있어 실험 장비에 대한 투자를 줄일 수 있다.

한편, 디지털 양자 컴퓨터는 보조 프로세서로서 고전 컴퓨팅 시스템과 원활하게 통합될 수 있으며, FPGA 기반 인터페이스를 통해 고전 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 간의 협업이 가능하다.