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인텔, 양자 컴퓨팅 상용화 앞당기는 제어칩 ‘호스리지’ 공개

입력 : 2019.12.10 10:00

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[첨단 헬로티]


인텔 랩(Intel Labs)은 풀스택 양자 컴퓨팅 시스템을 더욱 가속화할 업계 최초 극저온을 이용한 제어 칩, 코드명 ‘호스 리지(Horse Ridge)’를 발표했다. 호스 리지는 다수의 양자 비트(큐비트)를 제어해 더 대규모의 시스템으로 확장할 수 있는 확실한 경로를 설정함으로서 양자 실현가능성으로 가는 주요 이정표가 될 것이다.


델프트 공과대학교 (TU Delft) 큐텍(QuTech)의 인텔 공동 연구자들의 협력을 통해 개발된 호스 리지는 인텔의 22나노 공정의 핀펫 기술을 활용해 제작됐다. 인텔은 이와 같은 제어 칩 자체 제조를 통해 상용 양자 컴퓨터를 설계하고 시험하며 최적화하는 내부 역량을 극적으로 가속화할 것으로 기대하고 있다.


짐 클라크(Jim Clarke) 인텔 양자 하드웨어 총괄은 “큐비트 자체에 대한 강조는 많이 있었지만 다수의 큐비트를 동시에 제어하는 능력을 갖추는 것은 업계 전체의 도전과제였다. 인텔은 대규모 상용 양자 시스템을 개발하기 위해서는 양자 제어가 풀어야할 퍼즐의 필수 조각임을 인식했다”며, “인텔이 양자 오류 수정과 제어에 투자하고 있는 이유이다. 호스 리지로 인텔은 확실하게 빠른 양자 컴퓨팅 테스트를 가능케 하고 잠재력을 실현할 수 있게 돕는 확장 가능한 제어 시스템을 개발해 왔다”고 밝혔다.


연구원들은 양자 컴퓨터의 역량과 잠재력을 실현하기 위한 경쟁에서 중첩상태에서 작동하는 적은 수의 양자가 발생시키는 폭발적인 파워를 보여줄 테스트 칩을 만들어내는 큐비트 패브리케이션에 집중해 왔다. 그러나 인텔은 실리콘 스핀 큐비트(Silicon spin Qubit)와 초전도 큐비트 시스템을 포함한 양자 하드웨어 개발 초기 단계에서 양자 컴퓨터 상용화를 가로막는 요소는 바로 상호 연결과 제어전극이라는 사실을 밝혀냈다.


인텔은 호스 리지를 공개함으로써 향후 다수의 큐비트를 제어하고 보다 많은 수의 큐비트로 미래 시스템을 확장할 수 있는 확실한 경로를 마련했다.


양자 컴퓨터는 큐비트가 동시에 다수의 형태로 존재할 수 있게 하는 양자 물리학을 활용해 기존의 컴퓨터가 처리할 수 없는 문제들을 해결할 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 결과적으로 큐비트는 복잡한 문제를 보다 빠르게 처리할 수 있도록 동시에 대규모 연산이 가능하다.


양자 컴퓨터가 현실 문제를 해결할 수 있는 게임 체인저급의 성능을 구현할지 여부를 측정하는 양자 실현가능성에 있어서는 아직 초기 단계에 머무르고 있다. 인텔은 실용적이고 상용화 가능한 양자 시스템을 위해 하드웨어부터 소프트웨어 스택까지 광범위한 양자 컴퓨팅 분야에 투자하고 있다.


지금까지 연구원들은 양자 장치의 잠재력을 입증하기 위해 소규모 양자 시스템을 구축하는데 주력해 왔다. 이러한 과정에서 연구원들은 큐비트 성능을 조절하고 시스템을 프로그래밍하는 기존 연산 디바이스와 극저온 냉장고 안에 있는 양자 시스템을 연결하기 위해 기존 전자 도구와 고성능 컴퓨팅 랙스케일 기구에 의존했다.


이 장치들은 흔히 개별 큐비트를 제어하기 위해 고안된 맞춤형 장치로, 양자 프로세서를 제어하기 위해 수백 개의 와이어가 냉장고 안팎으로 연결되어야 한다. 각 큐비트에 대한 이 광범위한 제어 케이블로 인해, 상업적으로 실행 가능한 양자 솔루션에 필요한 수백만 큐비트는 말할 것도 없고 양자 실용성을 입증하는데 필요한 수백 또는 수천 큐비트까지 양자 시스템을 확장하는 것이 쉽지 않을 것이다.


호스 리지로 인텔은 양자 시스템 작동에 필요한 전자 제어 장치를 획기적으로 단순화한다. 이렇게 부피가 큰 기기를 고도로 통합된 SoC(System-on-Chip)로 교체하면 시스템 설계를 간소화하고 정교한 신호 처리 기법을 통해 설정 시간을 단축하고 큐비트 성능을 향상시키며 시스템이 보다 큰 큐비트 단위로 효율적으로 확장할 수 있다.



호스 리지는 고도로 통합된 혼합신호 SoC로, 양자 냉장고 안에 큐비트 제어장치를 투입해, 큐비트들을 최대한 근접한 위치에 놓이게 한다. 이는 냉장고 안팎 수백 개의 케이블을 양자 디바이스 근처에서 작동하는 단일 통합 패키지로 만들어 양자 제어 공학의 복잡성을 효과적으로 줄여준다.


냉장고에서 작동하는 큐비트를 제어하는 무선 주파수(Radio frequency) 프로세서의 역할을 하도록 설계된 호스 리지는 기본적인 큐비트 조작에 해당하는 명령어로 프로그램되어 있다. 이에 따라 명령어를 전자파 펄스로 변환해 큐비트의 상태를 조작할 수 있다.


오레곤에서 가장 추운 지역 중 하나의 이름을 딴 호스 리지 제어 칩은 극저온에서 작동하도록 설계 되었으며, 이 온도는 4켈빈에 이른다. 4켈빈은 절대 영도보다 조금 더 높은 수준이며, 절대 영도에서 원자들은 움직임을 멈춘다.


이러한 특징은 인텔이 현재 양자 시스템이 요구하는 것보다 약간 높은 온도에서 작동할 수 있는 잠재력을 가진 실리콘 스핀 큐비트에 대한 연구를 진행하기 때문에 특히 놀랍다.


오늘 날, 양자 컴퓨터는 절대 영도보다 아주 조금 높은 밀리켈빈(Millikelvin) 범위에서 작동한다. 그러나 실리콘 스핀 큐비트는 1켈빈(Kelvin) 이상의 온도에서 작동할 수 있는 성질을 갖고 있으며, 이는 양자 시스템을 냉각하는 어려움을 극적으로 줄일 수 있을 것이다.


이에 대한 연구가 진행되면서, 인텔은 극저온 제어 장치와 실리콘 스핀 큐비트가 동일한 온도 수준에서 작동하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 인텔은 향상된 패키징 및 상호 연결 기술에 대한 전문성을 활용, 하나의 간소한 패키지로 큐비트와 제어기능을 갖춘 솔루션을 만들 수 있을 것이다.


/이나리 기자(eled@hellot.net)

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