기존의 컴퓨터와 완전히 다른 계산 방식을 채용하고 있기 때문에, 기존보다 압도적인 속도와 양의 계산을 해낼 수 있는 양자 컴퓨터의 계산 유닛 "QPU"는 과연 무엇인가?
양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 높은 계산능력을 갖고 있어, 지금까지 "시간이 너무 오래 걸리기 때문에 해결이 사실상 불가능하다"고 했던 것과 같은 문제도 해결할 수 있을 가능성이 기대되고 있다. 예를 들면, 다양한 암호 기술의 핵이되는 인수분해 계산도 양자 컴퓨터에 의해서 엄청 빠른 속도로 해결할 수 있다.
물론 오늘날의 암호기술이 가진 보안성을 한순간에 파괴해 버릴 가능성은 있지만, 동시에 그 어느 때보다 해독이 어려운 암호를 개발하는 것도 가능해진다. 이외에도 원자 레벨에서 양자 역학을 시뮬레이션하거나 단백질이나 약품 등의 구조 해석, 비행기 설계 등 모든 분야에서 도움이 되는 것으로 알려져 있다.
QPU란 양자 컴퓨터의 두뇌로, 전자나 광자등의 입자의 행동을 이용해, 종래의 컴퓨터의 프로세서보다 훨씬 고속으로 특정의 종류의 계산을 실시하는 것.
QPU는 "양자 중첩"이나 "양자 엉킴"이라고 하는 양자 역학의 현상을 이용해, 병렬 계산을 실시하는 한편, 기존의 컴퓨터에 사용되는 CPU나 GPU 등은 고전 물리학의 원리를 전류에 응용한 것이다. 그 때문에, 양자 컴퓨터에 대해서 종래의 컴퓨터는 "고전 컴퓨터"라고 불린다.
예를 들어, CPU와 GPU는 전류의 온 혹은 오프 상태를 비트 단위로 계산하는데, QPU의 양자 비트에서는 0과 1뿐만 아니라 "0과 1을 중첩한 상태"를 나타낼 수 있다. 고전 비트에서 3비트인 경우는 '000', '001', '010', '011', '100', '101', '110', '111' 중 한 번에 나타낼 수 있는 것은 어느 하나뿐이다. 그러나 양자 비트는 0과 1의 중첩 상태를 나타낼 수 있기 때문에 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있게 된다.
양자 컴퓨터에서는 종래의 컴퓨터로 하나하나 행하던 계산을 동시 병렬로 실시할 수 있게되기 때문에, 지금까지의 컴퓨터에서는 막대한 시간이 필요했던 계산도 빠르게 끝낼 수 있다. 예를 들어, 양자 컴퓨팅 기업 Quantum Computing Inc.(QCI)는 BMW와 아마존 웹 Services가 내놓은 차량 센서 배치와 관련된 3854 변수와 500개 이상의 조건이 주어진 문제를 해결했다고 밝혔다.
이 문제는 기존 고전 컴퓨터라면 매우 시간이 걸리는 문제였지만, QCI 양자컴퓨터는 불과 6분 만에 답을 내놨다고 한다.
물론 양자 비트 수가 많을수록 가능한 병렬 계산의 양이 늘어나기 때문에, 양자비트 수는 QPU의 능력과 직결되고, 또한 양자컴퓨터 연구자들은 QPU의 성능을 테스트 및 측정하기 위한 방법을 모색하고 있다.
QPU에 양자비트를 구축하는 방법으로 가장 인기있는 접근이 "초전도 양자비트"라 불리는 기술로, 두 초전도체 사이에 절연체를 끼우는 조지프슨 접합으로 쿠퍼쌍이라 불리는 두 전자가 터널 효과에 의해 절연체를 통과하는 현상을 이용해 양자역학적 중첩을 실현한다는 것.
양자 비트에 사용되는 초전도체의 상태를 지속시키기 위해, 양자 컴퓨터 회로는 액체질소 등으로 극저온에서 동작시켜야 한다.
또, 일부 기업은 전자가 아닌 광자를 사용해 양자비트를 개발하고 있는데, 광자의 진동이나 경로를 0~1로 계산하기 때문에, 초전도 양자비트와 달리 액체질소 등으로 양자비트를 극저온으로 유지할 필요가 없다. 다만, 광자를 관리하기 위한 레이저와 고도의 검출기가 필요하게 되는 것 외에 검출시에 에러가 일어나기 쉽다고 하는 점이 단점으로 되어있다.
이외에도, 전자기장에서 하전입자(이온)를 가늘게 하는 이온트랩을 이용해 양자 중첩 상태를 만들어내는 이온트랩형 양자비트 등 양자비트의 실현 방법에는 다양한 방법이 연구되고 있다. NVIDIA에서는 "지금은 아직 양자컴퓨터의 여명기이기 때문에, QPU의 양자비트에 어떤 종류의 양자비트가 널리 쓰이게 될지는 밝혀지지 않았다"고 말한다.
단, 어느 방법에서도 극저온을 유지할 수 있는 냉장고나 진공인클로저, 전자 쉴드 등 일반 가정에는 설치할 수 없는 시설이 필요한데, 따라서 양자컴퓨터는 주로 슈퍼컴퓨팅이 요구되는 연구시설이나 대규모 데이터센터에 설치될 것으로 예상되고 있다.
그런 QPU에서 실용적인 것이 등장하기는 아직 멀었을 것이다...라고 NVIDIA는 말한다. 하드웨어 레벨에서는, QPU는 현실 세계의 많은 일에 대응할 수 있을 만큼 강력하지 않고, 신뢰성도 충분하지 않다는 것. 또한 QPU에 대응한 소프트웨어도 아직 초기 단계이며, 이는 고전 컴퓨터의 여명기에 어셈블리 언어 엔지니어들이 고생한 것과 같다고 NVIDAI는 말한다.
그러나, 아마존이나 IBM, IonQ, Rigetti, Xanadu라고 하는 복수의 기업이 하드웨어의 연구에 투자하고 있는 것 외에 양자 컴퓨터용의 소프트웨어 환경을 정돈하는 프로젝트가 다양한 기업에서 진행되고 있다고 한다.
NVIDIA도 양자컴퓨터와 고전 컴퓨터를 연계한 하이브리드 양자컴퓨팅 시스템을 프로그래밍하기 위한 오픈 플랫폼인 Quantum Optimized Device Architecture(QODA)를 선보이고 있다.