Quantum Chip 의 위력
양자컴퓨터는 과장되어 있을까요?
Nature의 새로운 연구에서는 그렇지 않다고 합니다.
캐나다 토론토에 본사를 둔 Xanadu라는 회사가 개발한 이 스마트 디자인의 양자 디바이스는
9000년 이상 걸릴 벤치마킹 작업으로 기존 컴퓨터를 제거했습니다.
양자칩 보레알리스의 경우 답은 36마이크로초 이내였습니다.
Xanadu의 실적은 전통적인 컴퓨터에 대한 양자 컴퓨팅의 힘을 보여주는 최신의 것입니다.
모두 단순한 아이디어입니다.
이론적으로는 개념은 의미가 있습니다.
양자 디바이스는 이진수 비트(0 또는 1)를 사용하여 순차적으로 계산하는 기존의 컴퓨터와 달리
0과 1이 동시에 다른 시간에 존재할 수 있는 양자 세계의 기이함을 활용합니다.
그 독특한 물리학 덕분에 데이터는 큐비트로 취급됩니다.
이는 여러 계산을 동시에 수행하는 비확정 단위입니다.
양자컴퓨터는 고효율 멀티태스킹과 비슷하지만 기존 컴퓨터는 훨씬 선형입니다.
같은 문제가 주어진다면 양자컴퓨터는 속도와 효율 모든 면에서 슈퍼컴퓨터를 능가해야 한다.
양방향 우위라는 아이디어는 기존에 만들어진 어떤 것과도 전혀 다른 차세대 컴퓨터를 만드는 원동력이 됐습니다.
문제는 없을까요? 양쪽의 우위성을 증명하기가 매우 어렵습니다.
점점 더 많은 양자기기가 실제 문제를 해결하기 위해 연구실을 떠나면서
과학자들은 중간 벤치마크인 양자 우위를 받아들이고 있습니다.
양자컴퓨터가 무슨 일이 있어도 하나의 작업으로 기존 컴퓨터를 능가할 수 있다는 생각입니다.
구글은 2019년 기존 슈퍼컴퓨터 추정치인 1만년 전에 비해 54Cubit으로 계산 문제를 200초 만에 해결하는 양자컴퓨터의 첫 사례인 '시카모어'를 소개하며 인터넷을 돌파했습니다.
중국에서는 바로 두 계산의 이점을 위해 두 번째 매력적인 쇼케이스를 발표했습니다.
그 기계는 20억 년 이상 걸린 슈퍼컴퓨터에 의해 응답되었습니다.
그러나 중요한 문제는 남아 있습니다.
이러한 양자 디바이스는, 거의 실제로 사용할 준비가 되어 있지 않다는 것입니다.
대담한 재설계
컴퓨터가 물리학에 의존하고 있다는 것은 잊기 쉽습니다.
예를 들어 현재 시스템은 전자와 스마트하게 설계된 칩을 이용하여 기능을 수행합니다.
양자컴퓨터는 비슷하지만 대체 입자물리학에 의존하고 있습니다.
초기 세대의 양자 머신은 컴팩트 스마트폰 칩에 비하면 확실히 화려하지만 전혀 도움이 되지 않습니다.
대부분의 경우 하드웨어에서는 간섭을 줄이고 컴퓨터의 효율을 높이기 위해
엄격하게 제어된 온도(예를 들어 절대 0도에 가까운 온도)가 필요합니다.
양자컴퓨팅의 핵심 개념은 동일합니다.
큐비트는 데이터를 중첩하여 처리합니다.
큐비트는 0, 1, 또는 두 차분을 동시에 부호화할 수 있는 양자물리학의 결점입니다.
이 아이디어를 지원하는 하드웨어는 크게 다릅니다.
예를 들어 Google의 Sycamore는 초전도 금속 루프를 사용하고 있습니다.
2021년, IBM을 비롯한 대기업의 사이에서 인기 있는, 1/4 사이즈 127 Cubit의 강력한 양자 칩 「Eagle」을 론칭했습니다.
Honeywell이나 IonQ 같은 기업의 다른 반복 제품은 이온(1개 이상의 전자가 제거된 원자)을
양자컴퓨팅의 주요 소스로 사용해 서로 다른 접근법을 취해왔습니다.
다른 아이디어는 광자나 빛의 입자에 의존하고 있습니다.
그것은 이미 유용하다는 것이 증명되었죠.
예를 들어 중국의 양자우위 실증은 광자장비를 사용했습니다.
하지만 엔지니어링과 구성의 어려움으로 인해 이 아이디어는 실용적인 솔루션이 아닌
양자 컴퓨팅에 대한 단순한 발판으로 회피되었습니다.
광자 혁명
Xanadu 팀은 상대방이 틀렸다는 것을 증명했습니다.
새 칩인 보아리스는 초전도 물질과 이온 대신 광자를 이용해 계산한다는 점에서 중국 연구 칩과 조금 비슷합니다.
하지만 프로그래밍을 할 수 있다는 큰 이점이 있습니다.
브라질 리우데자네이루 연방 플루미넨세대의 다니엘 조스트 브로드는 지금까지의 실험은
각각의 컴포넌트가 구축되면 수정되는 정적 네트워크에 의존했다고 말했습니다.
중국의 연구에 있어서의 초기 양자 우위성의 실증에서는, 정적 칩을 사용했습니다.
하지만 Borealis는 광학 소자를 프로그래밍하기 쉽도록 해
일회용 장치보다 다양한 문제를 잠재적으로 해결할 수 있는 실제 컴퓨터에 가깝게 만들고 있습니다.
등록 후 누구나 실험하고 탐색할 수 있도록 클라우드에서 양쪽을 이용할 수 있습니다.
다니엘 조스트 브로드에 따르면 칩의 유연성은 창의적인 디자인의 업데이트에 의한 것입니다.
연구팀은 양자컴퓨팅 능력을 평가하는 벤치마크인 가우스 보성 샘플링 문제에 집중했습니다.
이 테스트는 계산적으로 매우 어렵지만 실제 문제에는 큰 영향을 주지 않습니다.
하지만 AI 성능을 측정하는 체스나 바둑 같은 양자컴퓨팅 성능을 평가하는
편견 없는 심판 역할을 합니다.
설정은 공포영화인 카니발 팬하우스 미러 텐트와 동일합니다.
「클립핑 상태」라고 불리는 특수한 상태의 빛(및 포톤)은, 빔 스플리터 네트워크에 내장된 칩에 터널링 됩니다.
각 빔 스플리터는 세미 리플렉터처럼 동작합니다.
빛이 나는 방식에 따라 여러 딸daughter로 나뉘어 반사되는 딸도 있고 빠져나가는 딸도 있습니다.
디바이스의 가장자리에 광자 검출기 어레이가 있습니다.
빔 스플리터의 수가 많을수록 개별 광자가 특정 검출기에서 어떻게 끝나는지를 계산하기는 어렵습니다.
가우스 보손 샘플링은 팩을 광자로 대체하여 어느 광자가 어느 검출기 슬롯에 도달하는지를 검출하는 것을 목적으로 합니다.
양자 특성은 가능한 결과 분포를 지수 함수적으로 증가시켜
모든 슈퍼컴퓨터의 성능을 빠르게 능가합니다.
브로드는 기본적인 물리학을 이해하고 구성에 따라 수백 개의 광자가 슈퍼컴퓨터에 도전할 수 있기 때문에 이를 훌륭한 벤치마크라고 설명했습니다.
이 도전을 받아들인 새로운 연구는 놀라운 216큐빗 광자 양자 디바이스를 재현했습니다.
종래의 디자인과 달리, 이 장치는 종래의 지향성 표준 대신 도착 시간의 빈도로 광자를 계산합니다.
광자를 지연시키고 양자 계산에 중요한 특정 지점에서 간섭할 수 있도록 광자 루프를 도입하는 것이 요령이었습니다.
이러한 조정에 의해 기기가 대폭 얇아졌습니다.
일반적으로 광자 통신에 필요한 큰 빔 스플리터 네트워크는 광자가 상호작용하고 작업을 계산하는 데 필요한 모든 지연을 수용하기 위해 세 가지로 줄일 수 있습니다.
루프 디자인은 컴퓨터 코드 편집과 같이 하드웨어 수준에서 실시간으로 미세 조정이 가능하며 다른 구성 요소와 함께 '프로그래밍이 용이하다'고 합니다
현재 양자 사이에 뚜렷한 우위를 보이는 연구는 거의 없다고 보입니다.
기존의 컴퓨터는 반세기 전에 시작되었습니다.
기존 컴퓨터, 특히 강력한 AI 중심의 칩이나 신경학적 컴퓨팅 설계를 활용한 컴퓨터로
알고리즘이 계속 진화해 성능을 쉽게 향상시키고 양자 디바이스를 따라잡는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.
하지만 그것이 추적의 즐거움입니다.
양측의 우위성은 단일 성능 지표에 기반한 명확한 임계치가 아닙니다.
실험이 발전함에 따라 시뮬레이션 기술도 발전할 것입니다.
가까운 미래에 기록적인 양자 디바이스와 고전적인 알고리즘이 번갈아 상위를 차지할 것으로 예상됩니다.
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