양자 슈퍼컴퓨터로 가는 길을 개척하다

양자 컴퓨팅을 대규모 실용화에 실질적으로 더 가까이 가져온 이정표에서, 옥스포드 대학교 물리학의 과학자들은 분산 양자 컴퓨팅의 첫 번째 사례를 시연했습니다. 광자 네트워크 인터페이스를 사용하여, 그들은 두 개의 개별 양자 프로세서를 성공적으로 연결하여 하나의 완전히 연결된 양자 컴퓨터를 형성하여 이전에는 도달할 수 없었던 계산적 과제를 해결하는 길을 열었습니다.

그 결과는 오늘(2월 5일) Nature에 게재되었습니다.

이 획기적인 발견은 양자의 '확장성 문제'를 해결합니다. 산업을 혁신할 만큼 강력한 양자 컴퓨터는 수백만 개의 큐비트를 처리할 수 있어야 합니다. 그러나 이 모든 프로세서를 단일 장치에 패키징하려면 엄청난 크기의 기계가 필요합니다. 이 새로운 접근 방식에서는 작은 양자 장치가 서로 연결되어 계산을 네트워크 전체에 분산할 수 있습니다. 이론적으로는 네트워크에 있을 수 있는 프로세서 수에 제한이 없습니다.

확장 가능한 아키텍처는 각각 소수의 트랩 이온 큐비트(양자 정보의 원자 규모 캐리어)만 포함하는 모듈을 기반으로 합니다. 이들은 광섬유를 사용하여 서로 연결되며, 전기 신호가 아닌 빛(광자)을 사용하여 데이터를 전송합니다. 이러한 광자 링크는 별도의 모듈에 있는 큐비트를 얽히게 하여* 양자 순간이동을 사용하여 모듈 간에 양자 논리를 수행할 수 있도록 합니다.**

상태의 양자 순간이동은 이전에도 이루어졌지만, 이 연구는 네트워크 링크를 통한 논리 게이트(알고리즘의 최소 구성 요소)의 양자 순간이동을 처음으로 시연했습니다. 연구원들에 따르면, 이는 먼 프로세서가 통신, 계산 및 감지를 위한 매우 안전한 네트워크를 형성할 수 있는 미래의 '양자 인터넷'을 위한 토대를 마련할 수 있습니다.

옥스포드 대학교 물리학과에서 연구를 이끈 더글 메인은 "양자 순간이동에 대한 이전 시연은 물리적으로 분리된 시스템 간의 양자 상태 전송에 초점을 맞췄습니다. 저희 연구에서는 양자 순간이동을 사용하여 이러한 먼 시스템 간의 상호 작용을 만듭니다.

이러한 상호 작용을 신중하게 조정함으로써, 별도의 양자 컴퓨터에 있는 큐비트 간에 논리적 양자 게이트(양자 컴퓨팅의 기본 연산)를 수행할 수 있습니다. 이 획기적인 발견을 통해 서로 다른 양자 프로세서를 효과적으로 '연결'하여 하나의 완전히 연결된 양자 컴퓨터로 만들 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 개념은 기존 슈퍼컴퓨터의 작동 방식과 유사합니다. 이는 각 개별 장치보다 더 큰 기능을 달성하기 위해 서로 연결된 작은 컴퓨터로 구성됩니다. 이 전략은 정확하고 견고한 계산에 필요한 섬세한 양자 속성을 보존하는 동시에 점점 더 많은 수의 큐비트를 단일 장치에 포장하는 것과 관련된 많은 엔지니어링 장애물을 우회합니다.

Dougal Main은 "광자 링크를 사용하여 모듈을 상호 연결함으로써 시스템은 귀중한 유연성을 얻어 전체 아키텍처를 방해하지 않고 모듈을 업그레이드하거나 교체할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

연구자들은 Grover의 검색 알고리즘을 실행하여 이 방법의 효과를 입증했습니다. 이 양자 방법은 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 대규모 비정형 데이터 세트에서 특정 항목을 검색하여 중첩과 얽힘의 양자 현상을 사용하여 많은 가능성을 병렬로 탐색합니다.

성공적인 시연은 분산형 접근 방식이 단일 장치의 한계를 넘어 양자 기능을 확장하여 오늘날의 슈퍼컴퓨터가 수년이 걸리는 계산을 몇 시간 만에 실행할 수 있을 만큼 강력한 확장 가능하고 고성능 양자 컴퓨터의 토대를 마련할 수 있는 방법을 강조합니다.

옥스포드 대학교 물리학과에서 이끄는 영국 양자 컴퓨팅 및 시뮬레이션 허브의 수석 과학자이자 연구팀의 수석 연구원인 데이비드 루카스 교수는 "우리의 실험은 네트워크 분산 양자 정보 처리가 현재 기술로 가능하다는 것을 보여줍니다.

양자 컴퓨터를 확장하는 것은 앞으로 몇 년 동안 새로운 물리학적 통찰력과 집중적인 엔지니어링 노력이 필요할 가능성이 높은 어려운 기술적 과제로 남아 있습니다."라고 말했습니다.

*양자 얽힘: 광자 한 쌍과 같은 두 입자가 엄청난 거리로 분리되어 있어도 상관 관계를 유지합니다. 이를 통해 물리적으로 이동하지 않고도 정보를 공유할 수 있습니다.

** 양자 순간이동: 얽힘을 이용해 양자 정보를 장거리에 걸쳐 거의 즉시 전송하는 기술입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250205130938.htm