다음 설계 도전 과제는 양자일 수 있습니다

2030년입니다. 당신의 양자 강화 EDA 소프트웨어가 방금 분자 수준에서 새로운 배터리 재료를 시뮬레이션했습니다 - 몇 달이 걸리던 작업이 이제는 반 시간 만에 완료됩니다. 방 건너편에서, 당신의 동료는 양자-고전 하이브리드 시스템을 사용하여 복잡한 RF 레이아웃을 최적화하며, 동시에 수백만 가지의 가능한 구성을 탐색합니다. 한편, 당신 팀의 암호학 전문가는 전통적인 암호화가 더 이상 의미 있는 보호를 제공할 수 없기 때문에 최신 양자 내성 프로토콜을 구현하여 디자인을 보호합니다.

이것은 공상 과학이 아닙니다. 이것은 전자 공학의 미래이며, 많은 사람들이 깨닫는 것보다 더 빠르게 다가오고 있습니다. 양자 컴퓨팅은 우리가 전자 시스템을 설계, 시뮬레이션하고 보호하는 방식을 변화시킬 뻔데에 있습니다. 엔지니어들에게 이는 혼란과 기회의 물결을 준비해야 함을 의미합니다.

양자 기술의 가속화되는 영향을 인식하여, 유엔은 2025년을 국제 양자 과학 및 기술의 해로 선언했습니다. 이 이니셔티브는 양자의 성장하는 역할을 전문 분야에서 널리 알리고, 대중과 전문가들이 이 분야에 참여하도록 장려할 것입니다.

양자 도약 이해하기

양자가 왜 중요한지 이해하려면, 그것을 고전 컴퓨팅과 비교하는 것이 도움이 됩니다. 고전 컴퓨터는 0 또는 1이 될 수 있는 비트를 사용합니다. 양자 컴퓨터는 동시에 0과 1이 될 수 있는 큐비트를 사용합니다 - 이러한 성질을 중첩이라고 합니다. 큐비트가 얽히게 되면, 그 상태가 연결되어 많은 가능성에 걸쳐 동시에 계산을 할 수 있게 됩니다. 이러한 특성은 고전 프로세서로는 해결하기 어려운 문제에 이상적인 양자 기계를 만듭니다.

이 양자 기계의 핵심에는 고전 CPU에 해당하는 양자 처리 장치(QPU)가 있습니다. QPU는 큐비트뿐만 아니라 그것들을 관리하기 위해 필요한 제어 전자 장치와 고전 하드웨어를 포함합니다. 함께, 그들은 양자 명령을 실행하면서 민감한 큐비트 상태를 방해할 수 있는 환경적 소음을 걸러내는 정밀 시스템을 형성합니다.

전자 분야에서 양자가 중요한 이유

양자 컴퓨팅은 이미 전자 분야에 영향을 미치기 시작했습니다. 세 가지 실용적인 분야가 돋보입니다:

• 재료 발견: 고전 도구로 분자 상호작용을 시뮬레이션하는 것은 시간이 많이 걸리고 종종 부정확합니다. 양자 시스템은 이러한 행동을 양자 수준에서 모델링할 수 있어, 반도체, 배터리 및 기타 고급 재료의 개발을 가속화할 수 있습니다.
• 디자인 최적화: 양자 컴퓨터는 방대한 해결 공간을 탐색하는 데 뛰어납니다. 이 능력은 아날로그 회로 레이아웃, 메모리 셀 디자인 및 기타 디자인 분야에서 새로운 전선을 엽니다.
• 보안 및 회복 탄력성: 양자 기계가 강력해짐에 따라 오늘날의 암호화를 깨뜨릴 위협이 되지만, 양자 내성 알고리즘의 생성도 지원합니다. 이 중 일부는 이미 오늘날 하드웨어에 내장되어 있습니다.

준비를 향한 경주

IBM, Google, D-Wave는 지난 2년 동안 양자 기술에서 빠른 진전을 이루었으며, 경쟁적인 로드맵, 대담한 연구 목표, 그리고 양자 솔루션을 테스트하는 파트너 및 고객의 성장하는 생태계를 가지고 있습니다. 이러한 회사들은 초기 양자 애플리케이션을 정의할 소프트웨어 스택, 클라우드 접근 모델 및 연구 협력을 형성하고 있습니다. 이러한 혁신, 헌신, 그리고 협력의 융합은 양자 실험실에서 일하는 사람들뿐만 아니라 "실제 세계"에서 일하는 엔지니어와 과학자들에게 양자 컴퓨팅을 더욱 관련 있게 만들고 있습니다. 

2024년 말에 발표된 R2 IBM Heron 양자 프로세서는 156개의 조정 가능한 커플러 큐비트를 특징으로 하며, 그 전작인 2023년 말에 출시된 원래의 Heron보다 최대 50배 빠르게 작동합니다. 오픈 소스 Qiskit 소프트웨어 도구와 결합될 때, R2 Heron 프로세서는 이전 최고 기록의 두 배인 5,000개의 2큐비트 게이트 연산을 수행할 수 있습니다(2024년 말 기준). IBM 연구원들에 따르면, 이 성능은 복잡한 양자 계산을 준비하는 데 적합합니다. 

2024년 12월에 발표된 Google의 Willow QPU는 105개의 초전도 트랜스몬 큐비트를 포함하고 있으며, 양자 오류 수정에서 이정표를 달성했습니다: 큐비트가 더 많이 추가될수록 오류율이 감소합니다. Willow는 최근 5분 이내에 복잡한 벤치마크를 완료했는데, 이는 고전적인 슈퍼컴퓨터로는 상상할 수 없는 10세프틸리언 년이 걸릴 작업입니다!

D-Wave는 양자 컴퓨팅 분야에서 대부분의 경쟁자들과는 근본적으로 다른 길을 걸었으며, 최적화 문제를 해결하기 위해 특별히 설계된 양자 담금질 기술에 초점을 맞췄습니다. IBM과 Google과 같은 게이트 기반 양자 컴퓨터들이 다양한 알고리즘을 실행할 수 있는 범용 시스템이 되고자 하는 반면, D-Wave와 같은 양자 담금질기는 매우 특화되어 있습니다. 이들은 방대하고 복잡한 검색 공간에서 최적의 해결책을 찾는 데 뛰어나며, 이로 인해 물류, 스케줄링, 기계 학습, 재료 모델링에 이상적입니다.

2025년 3월, D-Wave는 7,000개 이상의 초전도 큐비트와 20방향 큐비트 연결성을 갖춘 Advantage2 시스템이 중요한 이정표를 달성했다고 발표했습니다. 이 시스템은 단 20분 만에 도전적인 재료 과학 문제를 성공적으로 시뮬레이션했습니다. 전통적인 슈퍼컴퓨터가 이 작업을 수행하는 데 추정되는 시간은 백만 년입니다. 게이트 기반 시스템들의 벤치마크 우위 주장만큼 극적이지는 않지만, 이 성과는 D-Wave가 실제 산업 최적화 문제에 양자 도구를 적용하는 데 있어 독특한 강점을 갖고 있음을 강조합니다.

중국 연구원들이 Zuchongzhi 3.0을 발표했습니다. 이는 현재 최고의 슈퍼컴퓨터보다 1경 배 빠른 속도를 자랑하는 양자 프로세서입니다. 105개의 초전도 큐비트를 갖춘 이 칩은 미국의 무역 제재에도 불구하고, 중국이 양자 컴퓨팅 기술 경쟁에서 유력한 경쟁자임을 보여줍니다.

이러한 화제의 칩과 기계를 넘어서, 새로운 개발의 물결이 이 분야의 동력을 보여주고 있습니다. 연구원들은 2025년 초에 처음으로 여러 양자 프로세서를 연결하는 데 성공했는데, 이는 확장성을 향한 중요한 단계입니다. 거의 같은 시기에, 56큐비트 양자 시스템이 "인증된 무작위성"을 생성하여, 증명 가능한 예측 불가능한 숫자를 만들어냈습니다. 이러한 도약은 암호화, 시뮬레이션, 안전한 통신을 혁신할 수 있습니다.

EDA가 양자 지원을 받다

고성능 회로 설계는 전자공학에서 가장 복잡한 작업 중 하나입니다. 전통적인 EDA 도구들은 대부분 무차별 시뮬레이션과 순차적 테스팅에 의존하는데, 이는 며칠, 몇 주, 심지어 몇 달이 걸릴 수 있습니다. 우리가 처음 상상했던 시나리오에서처럼, 양자 강화 EDA 도구는 수천 또는 수백만 가지의 가능한 구성을 동시에 평가함으로써 이를 대폭 가속화할 것을 약속합니다. 이러한 양자 우위는 아날로그 회로 최적화, 레이아웃 라우팅, 전력 분배와 같은 문제에서 특히 매력적입니다. 여기서 해결 공간은 전통적인 도구로는 철저히 탐색하기에는 너무 방대해집니다.

한편, NVIDIA와 Keysight와 같은 회사들은 Google Quantum AI와 협력하여 대규모 양자 회로 시뮬레이션을 발전시키고 초전도 구성요소에 대한 새로운 모델링 기술을 개발하고 있습니다. 고전적 설계 흐름과 양자 가속기를 결합한 하이브리드 아키텍처는 이미 특정 작업에 대해 측정 가능한 개선을 제공하고 있으며, 실험적인 신기루에서 적용된 공학 도구로의 전환을 표시하고 있습니다.

양자 도구 시작하기

다행히도, 시작하기 위해 양자 실험실이 필요하지 않습니다. 클라우드 접근 가능한 플랫폼은 엔지니어가 특수한 인프라 없이 양자 및 양자 영감을 받은 최적화 기술을 테스트할 수 있게 합니다. IBM의 Qiskit Metal은 친숙한 EDA 및 시뮬레이션 도구와 통합되어 엔지니어가 Python에서 양자 하드웨어를 설계할 수 있게 합니다. Amazon Braket과 Microsoft Azure Quantum은 IonQ, Rigetti, D-Wave 등의 시스템을 포함한 양자 프로세서에 대한 클라우드 접근을 제공합니다.

실제 세계의 도전에 직면하다

약속에도 불구하고, 오늘날의 양자 기계는 여전히 섬세하고 자원 집약적입니다. 초전도 큐비트 시스템은 일반적으로 절대 영도 근처의 극저온을 유지하기 위해 희석 냉각기와 차폐 장비가 필요합니다 - 환경 소음에 매우 민감한 조건입니다. 심지어 소규모 프로세서도 안정적인 열 환경, 정밀한 마이크로파 제어, 그리고 광범위한 교정을 요구합니다.

이러한 물리적 및 공학적 제약은 양자 하드웨어에 대한 실제 접근성을 제한합니다. 하지만 이러한 제약은 미니어처화, 저온 전자기기, 그리고 모듈식 설계에서의 혁신을 촉진하고 있습니다. 엔지니어들은 저온 CMOS 회로를 개발하고, 초전도 연결을 실험하며, 양자와 고전 영역을 연결하는 인터페이스를 정제하고 있습니다. 진전이 있지만, 강력하고 확장 가능한 시스템은 여전히 전력, 비용, 시스템 통합과 관련된 엄청난 공학적 도전에 직면해 있습니다.

공학이 다음으로 나아가는 곳

양자 시대가 고전 전자기기를 대체하지는 않을 것입니다. 그것은 고전 전자기기를 보완하고 가속화할 것입니다. 엔지니어에게 이는 한때 비현실적이거나 불가능하다고 여겨졌던 문제를 해결하기 위한 새로운 도구를 의미합니다. 이러한 능력이 발전함에 따라, 지금 이를 탐구하는 사람들은 양자 기능이 어떻게 시스템에 통합되어 우리가 양자 시대에 전자기기를 설계, 시뮬레이션하고 보안하는 방식을 재정의할지를 형성하는 데 필요한 기술적 유창성을 얻게 될 것입니다.