양자 컴퓨터 구성 요소는 어떤 모습일까요?

십여 년 전 대학에 다닐 때 상급 물리 수업에서 양자 컴퓨터에 대해 들었던 기억이 납니다. 당시에는 핵심 개념을 이해하는 것도, 교수가 설명하는 것도 충분히 어려웠습니다. 시간이 흘러 오늘날, 양자 컴퓨터는 마침내 현실이 되었고, 기술을 확장하는 것이 임무가 되었습니다. 양자 알고리즘 개발자라면 클라우드를 통해 양자 컴퓨터에 시간을 임대하고 자신의 양자 애플리케이션을 실행할 수 있습니다.

많은 사람들이 지난 2년 동안에야 양자 컴퓨터 내부를 본 적이 있을 것입니다. 많은 기술 거인들이 시스템의 일부 세부 사항을 공개하기 시작했기 때문입니다. 이제 양자 시스템을 구축하는 데 들어가는 더 세밀한 세부 사항을 볼 수 있는 특권을 가졌으므로, 양자 컴퓨터의 주요 구성 요소가 어떻게 생겼는지, 그리고 어떤 기능을 수행하는지를 보는 것이 더 쉬워졌습니다. 큐비트 프로세서에 사용되는 구조물을 제외하고, 양자 컴퓨터 구성 요소는 고전적인 대응물과 많은 유사성을 가지고 있습니다.

현재 양자 컴퓨터(큐비트 프로세서)의 가장 중요한 부분은 완전히 맞춤형이지만, 양자 컴퓨터가 작동하게 하는 다양한 하위 시스템이 있습니다. PCB 디자이너는 이러한 시스템을 상용화하는 데 생각보다 더 큰 역할을 할 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 무엇인지 너무 깊이 들어가지 않고, 다양한 양자 컴퓨터 구성 요소가 수행하는 역할을 최선을 다해 설명하겠습니다.

컴퓨터를 “양자”로 만드는 것은 무엇인가?

모든 양자 컴퓨터는 정보를 처리하기 위해 양자 비트 또는 큐비트를 사용합니다. 양자 컴퓨터에 대한 인기 있는 설명은 큐비트가 정보 상태의 중첩(또는 조합)으로 존재할 수 있다는 사실을 활용한다는 것으로, 이는 양자 컴퓨터의 프로세서에 있는 큐비트가 동시에 0과 1 상태의 혼합으로 있음을 해석합니다. 양자 역학의 다른 철학적 관점(또는 “많은 세계” 해석)은 양자 컴퓨터가 본질적으로 병렬화된 기계라고 보며, 양자 컴퓨터의 복사본이 병렬 우주에서 여러 계산을 동시에 실행한다고 주장합니다!

큐비트의 동작을 이해하는 데 도움이 되는 물리적 그림이 무엇이든, 큐비트 자체는 이야기의 절반에 불과합니다. 나머지 절반은 얽힘의 사용에 의존하는데, 이는 여전히 물리학자들을 당황하게 합니다. 아인슈타인은 이를 “거리를 두고 있는 무서운 작용”이라고 묘사했으며, 이는 극도로 긴 거리에 떨어져 있을 때에도 큐비트를 동일한 양자 상태로 쓸 수 있게 합니다. 이는 빛보다 빠른 통신과 같은 것들을 제기하며, 심지어 양자 레이더와 같은 응용 프로그램을 만들어냈습니다.

양자 컴퓨터가 하는 일

양자 컴퓨터는 다른 큐비트와 얽혀 있거나 0과 1의 어떤 중첩 상태에 있을 수 있는 큐비트를 조작하고 읽어내도록 설계되었습니다. 이는 많은 중요한 구성 요소와 하위 시스템에 의존합니다. 양자 컴퓨터가 큐비트를 사용하긴 하지만, 설계대로 작동하게 하는 지원 하위 시스템은 모두 고전적인 구성 요소이며, 회로 기판에 사용되는 수동소자에 이르기까지 모두 해당됩니다.

양자 컴퓨터가 설계대로 작동하려면 다음이 필요합니다:

환경으로부터의 격리 대 통합

양자 프로세서와 그 안에 포함된 큐비트는 환경으로부터 철저히 격리되어야 합니다. 큐비트가 주변 환경(빛이나 열을 흡수하는 등)과 상호작용할 때, 큐비트의 현재 상태가 손실되어 오류가 발생할 수 있습니다. 격리를 보장하기 위해서는 고진공 시스템과 냉각을 사용하여 큐비트가 탈조화를 경험하지 않도록 해야 합니다.

이를 위해 다음과 같은 여러 구성 요소와 시스템이 필요합니다:

• 초고진공 펌프

• 희석 냉각 시스템

• 저온 온도 조절 시스템

• 전자기 차폐

• 액체 헬륨 및 액체 질소 냉매용 튜빙

이러한 시스템을 제어하려면 고전적 프로세서가 진공 및 온도 측정값을 읽고 진공 파워와 온도를 조정해야 합니다. 이는 대규모 고전 컴퓨팅 파워를 요구하지 않습니다. 일반적인 MPU나 FPGA는 이러한 제어 시스템을 운영하고 격리를 보장하며, 고전 컴퓨터에서 실행되는 애플리케이션에 데이터를 전달하기에 충분한 처리 능력을 가지고 있습니다. 계속해서 확대해 보면, 양자 컴퓨터의 주요 컬럼 주변에 클라우드를 통해 다른 시스템과 인터페이스할 수 있는 네트워킹 장비 및 기타 시스템이 있을 수 있습니다. 격리 요구 사항은 최근까지 모든 것에 대해 양날의 검이었습니다.

2022년 2월 말, 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 연구원들이 표준 회로 기판에 상용 구성 요소를 사용하여 양자 컴퓨터에서 사용되는 초저온 장치와 밀접하게 작동할 수 있는 시스템을 구축하고 테스트했다고 발표했습니다. 회로 기판 수준에서의 통합의 도전은 전통적인 전자 장치가 발생시키는 열이 큐비트를 탈조화시켜 양자 상태를 파괴하고 오류를 생성할 수 있다는 것입니다. 이는 시스템 수준에서 양자 및 고전 구성 요소를 통합하는 방향으로의 한 걸음입니다.

최근의 또 다른 진전은 칩 수준에서의 통합에 관한 것입니다. 2월 초, 로잔 연방 공과대학(EPFL)과 히타치 케임브리지 연구소의 연구원들은 실리콘 양자 점과 전통적인 시간 도메인 다중화 읽기 회로를 동일한 다이에 통합한 40 nm CMOS 집적 회로를 설계했습니다. 일반 목적 프로세서는 아니지만, 이 결과는 표준 CMOS 공정으로 양자 컴퓨팅 구성 요소를 대규모로 구축할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

양자 프로세서

양자 컴퓨터를 작동시키는 주요 구성 요소는 양자 프로세서입니다. 양자 프로세서에는 광자, 스핀트로닉, 이온 트랩 등과 같이 다양한 종류가 있으며, 이는 고전 프로세서와 마찬가지입니다. 최근에는 이온 트랩 양자 프로세서가 큐비트에 대한 더 큰 격리를 제공하는 것으로 나타났습니다. 또한, 다른 프로세서에 비해 더 적은 큐비트 수로 더 큰 컴퓨팅 파워를 제공합니다.

2022년 3월 28일 현재, 네덜란드 델프트 대학교에서 분사한 회사인 QuantWare에서 25큐비트 양자 처리 장치(QPU)를 구매할 수 있습니다. 이전에 이 회사는 2021년 7월에 5큐비트 오프더쉘프 프로세서를 출시했습니다. QuantWare는 소규모 양자 프로세서를 개발 및 생산하는 주요 칩 제조업체 중 하나가 되고자 합니다. 현재, 그들의 맞춤형 25 큐비트 양자 프로세서는 30일 이내에 고객에게 배송될 수 있습니다. 이는 양자 ASIC 및 양자 SoC가 다음으로 제공될 제품 목록에 있는 것이 논리적입니다.

QuantWare의 새로운 제품 제안이 유일하게 만들어진 양자 프로세서는 아니지만, 확실히 오프더쉘프 구성 요소로 상업적으로 사용 가능한 첫 번째 제품입니다. 최근 기억에 남는 주목할만한 양자 프로세서에는 Intel, IBM, Honeywell, 중국 과학기술대학교, Rigetti 등이 발표한 시스템이 포함됩니다. 양자 컴퓨팅을 지원하는 하드웨어 생태계가 빠르게 성장하기 시작했지만, 양자 프로세서만으로는 부족합니다.

초전도 회로

양자 프로세서에서 입력 및 출력 데이터는 초전도 재료로 만들어진 회로를 사용하여 읽기 시스템으로 되돌려 보내야 합니다. 이러한 인터페이스 및 읽기 회로는 약 10 mK의 온도로 내려가야 합니다. 비교를 위해, 우주의 배경 온도는 약 3 K입니다. 궁극적으로, 이러한 회로는 아래에 있는 읽기 시스템(아래 참조)으로 다시 연결되어 데이터를 캡처할 수 있습니다.

초전도 재료(구리 산화물을 제외하고 약 35 K 이하에서)는 상업적으로 구할 수 있는 것이 아닙니다. 양자 프로세서와 읽기 인터커넥트에서 사용되는 초전도 회로는 현재 맞춤 제작되고 있지만, 이는 결국 마이크로파 구성 요소 세트와 인터페이스합니다. 이때 RF 디자이너와 그들이 사용하는 구성 요소가 중요해집니다.

일관된 마이크로파 소스/검출기 및 동축 케이블

양자 컴퓨터도 특수 부품의 부족으로 인해 영향을 받았습니다. 최근 MIT Technology Review 기사에서 Martin Giles는 "필요한 케이블을 찾기가 너무 어려워서 양자 컴퓨터가 더 많지 않은 것"이라고 한탄했습니다. 데이터를 전송하기 위해 특수한 초전도 케이블이 필요하지만, 이는 데이터를 읽어내기 위한 일련의 고전적 구성 요소로 다시 연결됩니다.

RF 전단에서 사용되는 표준 구성 요소는 소스, 증폭 및 읽기 신호를 캡처하는 데 사용될 수 있으며, 이후 고대역폭/저잡음 ADC로 클래식 비트로 변환됩니다. 이것은 약간 단순화된 설명이며, 실제로는 읽기 신호를 조절하고 캡처하기 위해 여러 증폭기, 필터 및 검출기가 사용됩니다. 양자를 매우 진보된 기술 세트로 인식하는 인식이 고급 RF 구성 요소가 필요하다는 인상을 주지만, 이 시스템들은 중간 mmWave 주파수에서 작동합니다. 예를 들어, Intel의 읽기 시스템 중 하나는 단지 20 GHz에서 작동하며, 이는 많은 RF 시스템의 작동 범위 내에 편안하게 있습니다.

도전과 기회

표준화

현재, 양자 컴퓨터의 제어 시스템에 사용되는 모든 클래식 전자 장치는 개별 구성 요소에서 맞춤 제작됩니다. 이러한 시스템의 통합은 시간이 지남에 따라 클래식 컴퓨터에서 발생한 것처럼 소형화를 도울 것입니다. 이에 대한 책임은 칩 제조업체, 전자 설계자 및 양자 시스템 통합업체 간에 나뉩니다. 칩 제조업체가 곧 나서기는 어려울 것이므로, 제어 및 읽기 시스템을 통합하는 것은 시스템 설계자에게 달려 있습니다.

이 기술을 상용화하고 새로운 제품을 시장에 출시하기 위해서는 기존 전자 장치 및 서로와 상호 운용 가능해야 하며, 이는 적극적으로 추구되고 있습니다. 양자 컴퓨터를 상호 운용 가능하고, 더 강력하게(이것은 단순히 큐비트 수보다 더 많은 것을 의미합니다), 그리고 소형화하려면 모듈식 접근 방식을 취하는 것이 필요하며, 이는 더 큰 표준화를 통해 가능해질 것입니다. 양자 경제 개발 컨소시엄과 같은 조직들(전직 직원 개발 위원회의 일원으로서 전체 공개: 저는)은 이러한 표준을 개발하여 더 큰 상용화를 지원하는 데 중점을 두고 있습니다.

구성 요소의 더 큰 표준화는 더 많은 설계자들이 양자 컴퓨팅을 지원하는 새로운 시스템 개발에 참여하는 데 도움이 될 것입니다. 더 많은 양자 구성 요소와 시스템이 표준화되고 상용화됨에 따라, 그들은 더 큰 전자 시스템과 더 원활하게 통합될 것입니다. 현재, 클래식 컴퓨터는 제어 및 읽기 시스템뿐만 아니라 양자 컴퓨터를 클라우드에 연결하는 데 사용됩니다.

실제 시장 성장

앞으로 몇 년 동안의 시장 성장에 대해서는, 시장 규모의 예측이 2024년까지 8억 3천만 달러에서 50억 달러에 이르기까지 다양하며, 우리는 이미 그 목표를 달성하기 위한 길에 있습니다. 월스트리트가 주목하기 시작했으며, 일부 잘 알려진 양자 컴퓨팅 이름은 2021년에 수십억 달러 규모의 SPAC 합병을 통해 상장되었습니다. 이 기술이 과대 광고되었는지 아니면 다음 파도의 대규모 기술 혁신을 제공할지 여부는 아직 미지수이지만, 설계자들은 아마도 매우 곧 상용 가능한 첫 양자 시스템과 개발 도구를 볼 수 있을 것입니다.

양자 컴퓨터 구성 요소와 시스템이 상용화됨에 따라, Octopart는 디자이너들에게 공급망 관리 기능을 제공할 것입니다. 양자 컴퓨터를 지원하기 위해 설계하는 시스템이나 서브시스템의 유형에 관계없이, Octopart의 검색 엔진은 필요한 구성 요소를 정확히 선택할 수 있도록 고급 필터링 기능을 포함하고 있습니다. 통합 회로 페이지를 살펴보세요 그리고 이상적인 구성 요소를 찾기 위한 검색을 시작하세요.

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