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양자 컴퓨팅 프로세서의 여명이 밝아오다
최근까지 양자 컴퓨터는 핵융합 발전소와 비슷한 부분이 많았다. 실용화되기까지 25년 정도 앞을 봐야 하고, 넘어야 할 큰 산들이 있다는 측면에...

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최근까지 양자 컴퓨터는 핵융합 발전소와 비슷한 부분이 많았다. 실용화되기까지 25년 정도 앞을 봐야 하고, 넘어야 할 큰 산들이 있다는 측면에서 그렇다. 그러나 최근 각종 연구개발들이 변화의 바람을 일으키고 있다. 어떤 개발이 이루어졌나? 왜 이것들이 현재 중요한가? 앞으로 어떤 일이 일어날 것인가?


의학, 화학, 나노 테크 및 사이버 보안에서 가장 까다로운 문제들 중 상당 부분은 기존 디지털 컴퓨팅 기술으로는 해결할 수 없다. 아마도 이 문제들을 해결하는 것은 양자 컴퓨터 시대에나 가능할 것이다.


그러나 불행하게도, 범용general-purpose 양자 컴퓨터를 만드는 일은 아주 어려운 것으로 이미 입증되었다. 그 결과로 만들어진 현재의 하드웨어 프로토타입은 에니악(electronic numerical integrator and calculator, electronic numerical integrator and computer, Eniac의 약어로 1946년 미국 펜실베니어 대학 P. 에커트와 J.W. 모클리가 중심이 되어 제작한 최초의 컴퓨터. 기억 장치에 진공관 회로를 응용하고, 무게 30톤, 18,800개의 진공관이 사용되었다)에 사용된 진공관 기술처럼 신뢰성 있고 유지 보수가 가능한 것도 입증되었다. 현재 상업용 양자 컴퓨터는 디웨이브 테크놀러지D-Wave Technologies가 개발했다. 디웨이브는 양자 어닐링quantum annealing이라는 고도로 전문화된 접근 방식을 사용하여 구글이나 록히드 마틴과 같은 첨단 기술 회사들의 좁은 범위의 조합 최적화 문제를 해결해준다. 이들 기업들은 대당 1천만 달러 이상의 비용을 기꺼이 지불할 수 있다.


그동안 세계 각국의 연구팀들은 양자 상호작용을 통합할 수 있는 실제 컴퓨터를 설계하기 위한 다양한 방법들을 모색해 왔다. 그러나 이를 단일 칩에서 실현하기 위한 완벽한 엔지니어링 설계가 굉장히 어려웠다. 하지만 이제 그 어려움이 해결될 것 같다. 1973년 최초의 마이크로프로세서가 출시된 것만큼 심도 깊고 혁신적인 기술 도약 상태에 있기 때문이다.


뉴사우스웨일스대학교the University of New South Wales, UNSW의 엔지니어들은 우리가 익히 아는 실리콘 마이크로프로세서를 재편함으로써re-imaging 이 문제를 해결했다고 믿는다. 즉, 거의 대부분 표준 산업 프로세스와 구성 요소를 사용하여 제조할 수 있는 양자 컴퓨터 칩을 위한 완벽한 설계를 구축해냈다는 것이다.


최근, 저널 〈네이처 커뮤니케이션Nature Communications〉지에 발표된 새로운 칩 디자인은 모든 현대 칩의 기반이 되는 기존 CMOScomplementary metal-oxide semiconductor(상보성 금속 산화막 반도체) 기술을 사용하여 양자 계산을 수행할 수 있는 새로운 아키텍처를 포함하고 있다. 오늘날의 컴퓨터 칩은 양자 컴퓨터가 중요한 문제를 해결하는 데 사용하는 양자 효과를 전혀 활용할 수 없다. 새로운 디자인의 힘은 수백만 개의 양자 비트bit와 큐비트qubit를 지닌 머신을 제작하기 위한 가능성 있는 엔지니어링 경로도를 만들었다는 데 의미가 있다.


안전한 암호화 혹은 복합적인 질병과 같은 국제 사회가 직면한 핵심 도전 과제를 해결하기 위해, 우리가 동시에 움직이는 수백만 개의 큐비트를 필요로 할 것이라는 동의가 일반적으로 받아들여지고 있다. 이것을 하려면, 우리는 큐비트를 함께 모으고 통합할 필요가 있다. 이것은 우리가 기존 마이크로프로세서 칩을 가지고 현재 하고 있는 일과 비슷하다. 그리고 이것이 바로 이 새로운 디자인이 달성하고자 하는 목표다.


이 디자인은 광대한 2차원 배열 상의 큐비트간 작동을 ‘켜기turn on’ 위해 기존 실리콘 트랜지스터 스위치를 사용하는데, 엔지니어들이 ‘그리드 기반의 단어와 비트 선택 프로토콜’로 부르는 것을 활용한다. 이것은 우리가 현재 사용하고 있는 컴퓨터 메모리 칩에서 비트를 선택하는 데 사용되는 것과 유사하다. 큐비트 상의 전극을 선택함으로써 이들은 큐비트의 스핀spin(회전)을 통제할 수 있다. 이 스핀이 0과 1의 양자 이진 코드를 저장한다. 큐비트간 전극을 선택함으로써, 2 큐비트 로직 상호작용 혹은 계산이 큐비트 간에서 수행될 수 있는 것이다.


양자 컴퓨터는 양자 물리학의 두 가지 ‘유령 같은 원리’ 즉, 얽힘Entanglement과 중첩Superposition을 활용하여 현대 컴퓨터에서 사용되는 바이너리 코드의 어휘를 기하급수적으로 확장한다. 큐비트는 0과 1 또는 0과 1의 임의의 조합을 동시에 저장할 수 있다. 양자 컴퓨터는 동시에 여러 값을 저장할 수 있기 때문에, 동시에 여러 작업을 수행하면서 여러 값을 처리할 수 있다.


이로 인해 범위가 넓은 중요한 문제들을 해결하는 데 일반 양자 컴퓨터 1대가 기존의 어떤 컴퓨터보다 수백만 배나 더 빨라질 수 있는 것이다. 그러나 이렇게 복잡한 문제들을 해결하기 위한 유용성있는 양자 컴퓨터는 수많은 큐비트 - 아마도 수백만에 해당하는 - 를 필요로 할 것이다.


수백만 개가 필요한 이유는 우리가 알고 있는 모든 유형의 큐비트는 부서지기 쉽고 작은 오류조차도 잘못된 응답으로 곧바로 증폭될 수 있기 때문이다. 따라서 하나의 데이터를 저장하기 위해 다중 큐비트를 사용하는 오류 수정 코드를 사용해야 한다. 뉴 사우스 웨일즈 대학의 엔지니어들이 설계한 칩의 청사진에는 스핀 큐비트를 위해 특별히 설계된 새로운 유형의 오류 수정 코드가 통합되어 있으며, 수백만 큐비트의 연산에 대한 정교한 프로토콜을 포함하고 있다. 이러한 디자인은 실제 양자 컴퓨팅에 필요한 수백만 개의 큐비트를 제어하고 읽는 데 필요로 하는 모든 기존 실리콘 회로를 단일 칩에 통합하려는 첫 번째 시도임을 보여줬다.


연구자들은 실질적 양자 컴퓨팅 제작으로 나아갈 경우, 이 디자인에 여전히 수정이 필요할 것으로 판단하고 있다. 그러나 양자 컴퓨팅에 필요한 모든 핵심 구성 요소들이 하나의 칩에 통합 구현된다.


그리고 그것은 양자 컴퓨터가 오늘날의 컴퓨터를 능가하는 계산을 위한 머신이 되게 하는 데 필요한 것이다.


이러한 일반 양자 컴퓨터를 설계하고 제작하려는 노력은 ‘21세기의 우주 경쟁’으로 불리고 있다. 오늘날 최고의 수퍼 컴퓨터를 사용하면 수백만 년이 걸리는 일을 양자 컴퓨터는 며칠 혹은 단 몇 시간만에 해낼 만큼 이 프로젝트는 인류의 역사를 바꾸는 일이기 때문이다.


오늘날 전 세계적으로 5가지의 양자 컴퓨팅 접근 방식이 연구되고 있다.


- 실리콘 스핀 큐비트silicon spin qubits
- 이온 트랩ion traps
- 초전도 루프superconducting loops
- 다이아몬드 공공diamond vacancies
- 위상 큐비트topological qubits


뉴사우스웨일스대학의 디자인은 실리콘 스핀 큐비트를 기반으로 한다. 이러한 모든 접근 방식의 주요 문제점은 대량의 지원 장비와 값비싼 인프라를 필요로 하는 거대 시스템의 컴퓨터 없이는, 양자 비트 수를 필요한 만큼 수백만 개까지 늘릴 수 있는 확실한 방법이 없다는 데 있다.


뉴사우스웨일스대학의 디자인은 수백만 개의 큐비트를 통합하는 데 필요한 모든 것을 최초로 통합한 것이다. 단일 칩 위에서 양자 컴퓨팅이라는 진정한 혁신을 현실화하려면 수백만 개의 큐비트가 필요하기 때문이다.


이것이 바로 이들의 새로운 디자인이 흥미로운 이유다. 실리콘 스핀 큐비트 접근 방식을 적용함으로써 - 이 방식은 1년에 4,800억 달러의 세계 반도체 산업의 심장부인 실리콘의 반도체 소자the solid-state device를 모방한 것이다 - 스핀 큐비트 오류 수정 코드를 기존 칩 설계에 적용하여 진정한 일반 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 방법을 보여 준다.


거의 모든 다른 주요 그룹과는 달리, 뉴 사우스 웨일즈 대학의 양자 컴퓨팅에 대한 시도는 거의 모든 전 세계의 기존 컴퓨터 칩이 만들어지는 실리콘에서 반도체 소자를 창조하는 데 전적으로 집중하고 있다. 이것은 얼마나 많은 큐비트가 함께 통합될 수 있는지를 보여주기 위한 화려한 디자인 설계가 아니라, 쉽게 가공하고 확대할 수 있는 큐비트를 제작하려고 하는 것이다.


이들의 디자인은 실리콘 스핀 큐비트 부문에서 큰 도약을 의미한다. 이들 개발자들이 〈네이처Nature〉지에 양자 컴퓨터의 빌딩 블록인 2큐비트 로직 게이트의 개발을 발표한 것은 불과 2년 전의 이야기다. 양자 로직 계산이 실제 실리콘 소자에서 어떻게 수행될 수 있는 지를 최초로 보여준 것이다.


그것은 현대의 모든 컴퓨팅을 뒷받침하는 구성 요소를 사용하여 급진적인 양자 컴퓨팅 개념을 실용적 장치로 전환하는 방법을 보여 주는 최초의 ‘초기 단계baby steps’였다. 그리고 언제니어들은 이를 극적으로 확대하기 위한 청사진까지 가지고 있다. 이들은 실험실에서 이 디자인 요소를 테스트하여 매우 긍정적인 결과를 얻어냈고, 그에 대한 개선 혹은 진화를 계속 추진 중이다.


이러한 양자 컴퓨터의 현실화에 대해 우리는 앞으로 3가지를 예측할 수 있다.


첫째, 믿을 만한 범용 하드웨어가 출시될 때까지 양자 컴퓨팅은 여전히 잠든 거인sleeping giant으로 남아 있을 것이다.


양자 컴퓨팅의 현재 위치는 우리가 오늘날 사용하고 있는 기존 디지털 컴퓨팅의 1940년대 수준에 있다. 즉, 아직까지는 이론적 응용 단계의 실험용 프로토타입, 개념적 설계 상태에 있는 것이다. 다만 반도체 트랜지스터 로직 게이트의 개발이 모든 것을 바꾸었듯 양자 컴퓨팅도 도약을 앞두고 있다. 믿을 만한 양자 프로세서가 등장하면, 소프트웨어와 새로운 응용은 일대 전기를 맞이할 것이다.


둘째, 향후 5년 동안 기업들과 각 국가는 양자 컴퓨팅에 대해 수없이 많은 작은 베팅을 계속 시도할 것이고, 그중 일부에서 큰 성과가 나타날 것이다.


예를 들어, 2017년 8월 뉴사우스웨일스대학 연구원들은 실리콘 양자 컴퓨팅 주식회사Silicon Quantum Computing Pty Ltd.를 발족했다. 이는 호주 최초의 양자 컴퓨팅 회사로, 이들 팀원들만의 독창적 기술의 개발과 상업화를 추진하기 위해서다. 이 회사는 2022년까지 10큐비트 프로토타입 실리콘 양자 집적 회로 개발을 위한 8,300만 달러의 계약을 체결했다. 이는 세계 최초로 실리콘 기반의 양자 컴퓨터를 제작하는 데 있어 다음 단계로 나아갈 채비를 갖춘 것이다.


셋째, CMOS가 기존 컴퓨팅을 지배하는 것과 똑같은 방식으로 6개의 컴퓨팅 큐비트 기술들 중의 어떤 것이 양자 컴퓨팅을 지배할 것인지를 확실히 알기까지 적어도 10년은 소요될 것이다.


그 결과는 어떤 기술적 접근 방식이 궁극적으로 가장 효율적인 그리고 수퍼 컴퓨터의 능력 이상으로 문제를 해결할 수 있을 만큼 확대할 수 있는 일반 양자 컴퓨터를 합리적인 비용으로 만들어낼 수 있는지에 달려 있을 것이다. 역사는 발판foothold을 마련해주는 계기가 반드시 최고의 기술에만 달려있지 않다는 것을 보여준다. 가장 저렴한 것, 심지어 가장 빠르게 (양자를) 확대하는 것 또한 아닐 수도 있다. 수차례의 시행착오와 반복이 일어날 수도 있다. 다만 이것 하나만은 기억하자. 부피가 컸던 진공 튜브 회로와 마그네틱 드럼 메모리에서 오늘날의 보편적인 실리콘 반도체 로직 게이트를 지닌 멀티 코어 CPU에 이르기까지 컴퓨터는 진화해왔으며, 이제는 4세대 컴퓨터가 반드시 필요하다는 사실을!


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References List :
1. Nature Communications, 2017. Veldhorst, H. G. J. Eenink, C. H. Yang, A. S. Dzurak. Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer.
https://www.nature.com/articles/s41467-017-01905-6


2. Nature Communications, 2017. Guilherme Tosi, Fahd A. Mohiyaddin, Vivien Schmitt, Stefanie Tenberg, Rajib Rahman, Gerhard Klimeck, Andrea Morello. Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings.
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00378-x


3. Cosmos, SEPTEMBER 13, 2017. Wison da Silva. The quest for a silicon quantum computer,
https://cosmosmagazine.com/technology/the-quest-for-a-silicon-quantum-computer


4. Science, December 7, 2017.  D. M. Zajac, A. J. Sigillito, M. Russ, F. Borjans, J. M. Taylor, G. Burkard, J. R. Petta. Quantum CNOT Gate for Spins in Silicon.
https://www.researchgate.net/publication/319101407_Quantum_CNOT_Gate_for_Spins_in_Silicon



The Era of Quantum Computing Microprocessors Dawns
 
Many of the toughest problems in medicine, chemistry, nano-technology and cyber-security, simply can’t be solved using conventional digital computing technology.  That’s where quantum computing comes in.  And that’s why, when we wrote Ride the Wave, we identified quantum computing as one of the 12 crucial technologies needed to fully realize the potential of the Digital Techno-Economic Revolution.


Unfortunately, creating a general-purpose quantum computer has proven to be overwhelmingly difficult.  And the resulting hardware prototypes have proven about as reliable and maintainable as the original vacuum tube technology used in the Eniac system.  Today’s only commercial quantum computer is from D-Wave Technologies; it uses a highly specialized approach called “quantum annealing” to solve a narrow range of optimization problems for cutting-edge companies, like Google and Lockheed-Martin, who are willing to pay over $10 million per machine.


In the meantime, research teams all over the world have been exploring different ways to design a working computer that can integrate quantum interactions.  But, a complete engineering design to realize this on a single chip has been elusive.


However, that’s about to change. It seems we are on the verge of a technological leap that could be as deep and transformative as the original microprocessor release in 1973.


Engineers at the University of New South Wales, or UNSW, believe they have solved the problem by re-imagining the silicon microprocessors we know, to create a complete design for a quantum computer chip that can be manufactured using mostly standard industry processes and components.


The new chip design, published recently in the journal Nature Communications, involves a novel architecture that allows quantum calculations to be performed using existing CMOS technology, the basis for all modern chips. As remarkable as they are, today's computer chips cannot harness the quantum effects needed to solve the important problems that quantum computers will.  The power of the new design is that, for the first time, it charts a conceivable engineering pathway toward creating a machine with millions of quantum bits, or qubits.


To solve problems that address major global challenges -- like secure encryption or complex diseases -- it's generally accepted that we will need millions of qubits working in tandem. To do that, we will need to pack qubits together and integrate them, like we do with modern microprocessor chips. That's what this new design aims to achieve.


This design uses conventional silicon transistor switches to 'turn on' operations between qubits in a vast two-dimensional array, using what engineers call “a grid-based word and bit select protocol,” which is similar to that used to select bits in a conventional computer memory chip.  By selecting electrodes above a qubit, they can control a qubit's spin, which stores the quantum binary code of a 0 or 1.  And by selecting electrodes between the qubits, two-qubit logic interactions, or calculations, can be performed between qubits.


A quantum computer exponentially expands the vocabulary of binary code used in modern computers by using two “spooky principles” of quantum physics -- namely, 'entanglement' and 'superposition.'  Qubits can store a 0, a 1, or an arbitrary combination of 0 and 1 at the same time. And just as a quantum computer can store multiple values at once, so it can process them simultaneously, doing multiple operations at once.


This allows a universal quantum computer to be millions of times faster than any conventional computer when solving a wide range of important problems.  But to solve these complex problems, a useful universal quantum computer will need a large number of qubits, possibly millions.


That’s because every type of qubit we know is fragile and even tiny errors can be quickly amplified into wrong answers.  So, we need to use error-correcting codes which employ multiple qubits to store a single piece of data.  The UNSW chip blueprint incorporates a new type of error-correcting code designed specifically for spin qubits, and involves a sophisticated protocol of operations across the millions of qubits.  This design represents the first attempt to integrate into a single chip all of the conventional silicon circuitry needed to control and read the millions of qubits needed for real-world quantum computing.


The researchers expect that modifications will still be required to this design as they move towards manufacture.  But all of the key components that are needed for quantum computing are now here in one chip. And that's what will be needed to make quantum computers the workhorses for calculations that are well beyond today's computers.


The effort to design and build such a universal quantum computer has been called the 'space race of the 21st century.'  That’s because, for some challenging problems, they could find solutions in days, or maybe even hours, which would take millions of years using today's best supercomputers.


Today, there are at least five major quantum computing approaches being explored worldwide:


- silicon spin qubits,
- ion traps,
- superconducting loops,
- diamond vacancies, and
- topological qubits.


UNSW's design is based on silicon spin qubits.


The main problem with all of these approaches is that there has been no clear pathway to scaling the number of quantum bits up to the millions needed without the computer becoming a huge system requiring bulky supporting equipment and costly infrastructure.


The UNSW design, for the first time, incorporates everything needed to integrate the millions of qubits needed to realize the true promise of quantum computing on a single chip.


That's why UNSW's new design is so exciting.  By relying on its silicon spin qubit approach -- which mimics the solid-state devices in silicon that are the heart of the $380 billion a year global semiconductor industry -- it shows how to dovetail spin qubit error correcting code into existing chip designs, enabling true universal quantum computation.
 
Unlike almost every other major group, the UNSW quantum computing effort is obsessively focused on creating solid-state devices in silicon, from which all of the world's existing computer chips are made. And they're not just creating ornate designs to show off how many qubits can be packed together; they are aiming to build qubits that could be easily fabricated -- and scaled up.


This design represents a big leap forward in silicon spin qubits.  It was only two years ago, in a paper in Nature, that its developers revealed the creation of a two-qubit logic gate -- the central building block of a quantum computer. It showed, for the first time, how quantum logic calculations could be done in a real silicon device.


Those were the first “baby steps,” demonstrating how to turn this radical quantum computing concept into a practical device using components that underpin all modern computing.  And now the UNSW team has a blueprint for scaling that up dramatically.


They’ve been testing elements of this design in the lab, with very positive results. They just need to keep building on that.


Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.


First, until reliable general-purpose hardware is available quantum computing will remain a sleeping giant.


Quantum computing is still at the stage where digital computing was in the late1940s: laboratory prototypes and conceptual designs with only theoretical applications. That was all changed by the invention of solid-state transistor logic gates. But, once a reliable quantum processor exists, software and new applications will explode.


Second, over the next five years, companies and nations will make lots of small bets on quantum computing and a few will pay-off big.


For example, in August 2017, the UNSW researchers launched Silicon Quantum Computing Pty Ltd. It’s Australia's first quantum computing company, intended to advance the development and commercialization of the team's unique technologies. And it just struck an $83 million deal to develop, by 2022, a 10-qubit prototype silicon quantum integrated circuit.  That will represent the next big step toward building the world's first quantum computer in silicon.  And,


Third, it will be at least a decade before we know for certain which of the six computing qubit technologies will dominate quantum computing in same way CMOS dominates conventional computing.


The outcome will depend on which technological approach ultimately creates the most efficient universal quantum computer that can be scaled up, at a reasonable cost, to solve problems beyond the capabilities of conventional supercomputers.  And history is replete with examples where it's not the best technology that gains a foothold, or the cheapest, or even the one that scales up fastest.  It may possibly take several iterations; remember, it took four generations of computers to get from bulky vacuum tube circuitry and magnetic drum memory to the multi-core CPUs with silicon semiconductor logic gates, common today.


References
1. Nature Communications, 2017. Veldhorst, H. G. J. Eenink, C. H. Yang, A. S. Dzurak. Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer.

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01905-6 


2. Nature Communications, 2017. Guilherme Tosi, Fahd A. Mohiyaddin, Vivien Schmitt, Stefanie Tenberg, Rajib Rahman, Gerhard Klimeck, Andrea Morello. Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings.

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00378-x


3. Cosmos, SEPTEMBER 13, 2017. Wison da Silva. The quest for a silicon quantum computer,

https://cosmosmagazine.com/technology/the-quest-for-a-silicon-quantum-computer


4. Science, December 7, 2017.  D. M. Zajac, A. J. Sigillito, M. Russ, F. Borjans, J. M. Taylor, G. Burkard, J. R. Petta. Quantum CNOT Gate for Spins in Silicon.

https://www.researchgate.net/publication/319101407_Quantum_CNOT_Gate_for_Spins_in_Silicon