AWS가 제공하는 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스, Amazon Braket -1

양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 있지만, 잠재적인 혁신 가능성으로 인해 많은 기업과 연구 기관의 관심이 집중되고 있습니다. AWS는 이러한 시장의 요구에 부응하기 위해 포괄적인 양자 컴퓨팅 포트폴리오를 구축하고 있으며, 고객들이 양자 컴퓨팅을 쉽게 이해하고 활용할 수 있도록 다양한 솔루션을 제공합니다.

이번 블로그 시리즈에서는 본 블로그를 포함하여 3 회에 걸쳐 AWS에서 제공하는 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스인 Amazon Braket에 대해 자세히 소개할 예정입니다. 이 블로그는 양자 컴퓨팅 연구자 및 개발자, 그리고 양자 기술에 관심 있는 모든 분들을 대상으로 하며, 특히 양자 연구를 위해 양자 플랫폼을 검토하고 있는 분들을 염두에 두고 작성하였습니다.

우선 이번 블로그에서는 AWS가 제공하는 양자 포트폴리오와 그 중에서도 핵심 서비스라 할 수 있는 Amazon Braket의 전반적인 내용에 대해 작성하였습니다. 참고로 2회차에서는 Amazon Braket에서 제공하는 다양한 시뮬레이터와 양자 하드웨어인 QPU(Quantum Processing Unit)를 중심으로 소개하며, 마지막 3회차에서는 Amazon Braket 도입 고객 사례, 비용 산정, 그리고 Amazon Braket을 가지고 양자 연구를 시작하는 방법에 대해 소개할 예정입니다.

AWS에서 제공하는 양자 포트폴리오

AWS에서는 양자 시장의 다양한 고객 요구 사항을 반영하기 위하여 다양한 양자 포트폴리오를 확보하고 있습니다. AWS의 양자 포트폴리오는 그림1과 같이 크게 4가지로 구분됩니다.

<그림 1. AWS가 제공하는 양자 포트폴리오>

우선 그림1의 맨 왼쪽에 존재하는 Amazon Braket은 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스입니다. 참고로 이번 블로그 시리즈의 대부분을 Amazon Braket 설명을 위해 할당할 예정입니다. 두번째 포트폴리오는 ‘AWS Center for Quantum Computing’ 이라고 불리는 AWS가 보유한 순수 리서치 센터입니다. 이 연구 센터에서는 양자 컴퓨팅과 관련된 연구를 진행합니다. 세번째로 AWS는 양자 컴퓨팅 뿐만 아니라, 개인 정보 보호, QKD(Quantum Key Distribution)와 같은 암호화 영역과 관련된 양자 네트워크 연구도 진행 중입니다. 마지막으로 AWS는 ‘Advanced Solutions Lab’ 이라는 실행 조직을 통해, 고객이Amazon Braket을 통해 양자 연구를 잘 수행할 수 있도록 돕고 있습니다. 독자들이 기억해야 할 주요 개별 양자 포트폴리오에 대해서는 다음부터 보다 자세히 소개하도록 하겠습니다.

AWS는 양자 컴퓨팅 분야에서 고객 수요 충족, 기술 접근성 향상, 미래 기술 선점, 클라우드 서비스 포트폴리오 확장이라는 네 가지 핵심 목표를 중심으로 양자 포트폴리오를 구축하고 있습니다.

첫째, AWS는 양자 공학의 발전과 더불어 양자 컴퓨팅 실험 및 기술 잠재력 탐색에 대한 고객의 요구에 적극적으로 대응하고 있습니다. 이는 고객들이 양자 컴퓨팅 기술을 활용하여 혁신적인 솔루션을 개발하고 새로운 비즈니스 기회를 창출할 수 있도록 지원하는 것을 의미합니다.

둘째, AWS는 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스를 통해 기술 접근성을 향상시키는 데 주력하고 있습니다. Amazon Braket과 같은 서비스를 통해 누구나 쉽게 양자 기술에 접근하고 실험할 수 있도록 지원함으로써, 양자 컴퓨팅 기술 혁신을 촉진하고 있습니다. 또한, AWS는 양자 기술의 불확실성을 고려하여 소액 투자로도 양자 기술에 접근할 수 있도록 지원하여, 더 많은 사용자가 양자 컴퓨팅을 경험하고 활용할 수 있도록 돕고 있습니다.

셋째, AWS는 미래 기술 선점을 목표로 양자 컴퓨팅 분야에 대한 투자를 확대하고 있습니다. 미래 핵심 기술에 대한 시장을 조기에 선점하고 기술 리더십을 확보함으로써, 양자 기술과 관련된 경쟁 우위를 확보하고자 합니다.

마지막으로 클라우드 서비스 포트폴리오를 확장하여, 미래 클라우드 시장에서도 여전히 선도적인 위치를 유지하고자 합니다.

AWS는 이러한 목표를 달성하기 위해 다양한 양자 컴퓨팅 서비스를 개발하고, 관련 기술 개발 및 연구에 대한 투자를 지속적으로 확대하고 있습니다. 이는 고객에게 혁신적인 도구를 제공함과 동시에 AWS의 클라우드 시장 리더십을 공고히 할 것으로 기대됩니다.

양자 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하는 ‘AWS Center for Quantum Computing’

AWS는 양자 컴퓨팅 기술의 잠재력에 대해 큰 기대를 갖고 2021년에 양자 컴퓨팅과 관련된 순수 연구 센터인 ‘AWS Center for Quantum Computing’을 캘리포니아 공과대학(Caltech)이 위치한 캘리포니아 패서디나(California Pasadena)에 개설하였습니다. 현재 이 연구소는 캘리포니아 공과대학과 협업하여 초전도 기반의 양자 하드웨어 뿐만 아니라 양자 오류 수정, 알고리즘 최적화 등의 소프트웨어 연구도 병행 중입니다. 이러한 연구 결과로 25년 2월 27일에 AWS의 최초 양자 컴퓨터 칩인 오셀롯(Ocelot)이 발표되었습니다. 오셀롯은 프로토타이핑 형태의 양자 하드웨어로 캣(cat) 큐비트(qubit, 양자 비트)라는 개념을 도입하여, 기존 양자 오류 정정 비용 대비 최대 90%까지 절감할 수 있도록 개발되었습니다. 오셀롯과 관련된 자세한 정보가 필요하다면 다음의 기사 링크를 참고하시기 바랍니다.

<그림 2. 캘리포니아 패서디나에 위치한 ‘AWS Center for Quantum Computing’ 전경 및 AWS 최초의 양자 칩 오셀롯>

참고로 NISQ(Noisy Intermediate Scale Computer)라는 개념을 업계에 처음 제시한, 양자 컴퓨팅 분야의 세계적인 석학인 존 프레스킬(John Preskill)를 비롯하여 오스카 페인터(Oskar Painter), 페르난도 브란다오(Fernando Brandao) 등의 유수의 캘리포니아 공과대학 교수들이 각각 아마존 스칼라, AWS의 양자 하드웨어 및 알고리즘 책임자로 활동하고 있습니다.

<동영상 1. ‘AWS Center for Quantum Computing’ 에서 진행하는 양자 하드웨어 연구 영상>

 양자 컴퓨팅 전문 실행 조직, ‘Advanced Solutions Lab’

‘Advanced Solutions Lab’은 앞선 ‘AWS Center for Quantum Computing’ 과는 달리 고객과 직접 공동 연구 프로그램을 진행할 수 있는 실행 전문 조직(ProServe)입니다. 이 조직은 고객과 함께 고객의 유스 케이스(use case)를 확인하고, 고객의 케이스가 양자 컴퓨팅을 이용해서 해결할 수 있는 문제라면 고객과 같이 코드 레벨에서 양자 애플리케이션을 개발합니다. 만약 고객의 케이스가 양자 컴퓨팅 보다는 기존의 클래식 컴퓨터를 이용하는 것이 적합하다고 판단되는 경우에는, 머신 러닝 또는 HPC와 관련된 분야에서도 협업이 가능합니다.

‘Advanced Solutions Lab’ 소속 인력은 다양한 학문적 배경을 갖는 양자 전공 Ph.D 인력들로 구성되어 있으며, 양자 기술 관련 AWS의 전문 컨설팅 조직입니다. ‘Advanced Solutions Lab’과 관련하여 보다 높은 이해가 필요하다면 다음의 링크를 확인하시기 바랍니다.

클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스, Amazon Braket

다음은 이 블로그를 작성하는 주요 대상인, 클라우드 기반의 완전 관리형 양자 컴퓨팅 서비스, Amazon Braket입니다. Amazon Braket은 2019년 12월 ‘re:Invent 2019’에서 프리뷰 형태로 처음 공개되었으며, 2020년부터 본격적으로 서비스가 제공되고 있습니다. Amazon Braket은 클라우드와 양자 컴퓨팅을 결합한 특징으로 인해 다음과 같은 장점이 존재합니다.

• 비용 리스크 감소
  • 현재의 양자 컴퓨팅 기술은 불확실성이 매우 높습니다. Amazon Braket은 클라우드 기반 서비스 특징으로 인해, 사용량 기반의 과금 정책이 적용됩니다. 따라서 ROI에 매우 민감한 대다수의 기업 입장에서는, 불확실한 기술에 대해 대규모의 양자 연구 비용 지출을 회피할 수 있다는 점에서 Amazon Braket은 매우 큰 장점을 갖게 됩니다.
• 유연성
  • 양자 리소스에 접근하기 위해서는 많은 경우, 특정 양자 전문 업체와의 계약이 필요합니다. 또한 이 경우에는 특정 양자 업체의 하드웨어만을 이용하여 연구를 수행하는 것이 일반적입니다. 그러나 Amazon Braket은 초전도체, 이온트랩, 중성원자 등의 다양한 타입의 양자 하드웨어를 제공합니다. 따라서 특정 양자 기술에 대한 락인(lock-in)을 방지할 수 있습니다.
• 효율성
  • 양자 리소스를 사용하기 위해 양자 시스템에 대한 운영이 불필요합니다. 완전 관리형 서비스이기 때문에 양자 인프라에 대한 모든 관리는 AWS에서 대행합니다. 따라서 연구원들은 양자 알고리즘 개발에 집중 할 수 있습니다. 또한 사용자가 다른 AWS 클라우드 서비스와의 통합 아키텍처를 구현하여 효율적으로 사용할 수 있다는 점이, 기존 단순 인터넷 연결 기반의 타 양자 컴퓨팅 서비스와의 차별점이라 할 수 있습니다.
• 즉시성
  • 기존에는 대부분 양자 컴퓨팅 리소스에 접근하려면, 양자 하드웨어 전문 업체와 예를 들어 ‘x년 y억’과 같은 장기 계약(long term commitment)이 필요했습니다. 따라서 이러한 계약이 체결되어야 사용자는 비로소 양자 컴퓨팅 서비스에 접근이 가능했습니다. 그러나 이와는 반대로 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스에서는, 사용자가 AWS 계정만 보유하고 있다면 AWS가 제공하는 양자 컴퓨팅 서비스에 즉시 접근 가능합니다.

<그림 3. 인터넷을 통해 접속하면 마주치게 되는 Amazon Braket의 콘솔 화면>

Amazon Braket으로 할 수 있는 것들

다음으로는 Amazon Braket을 사용해서 어떤 것들을 할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다. 양자 연구원/개발자는 Amazon Braket을 사용하여 그림4와 같이 크게 4가지 일을 수행할 수 있습니다. 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

 <그림 4. Amazon Braket으로 할 수 있는 것들>

첫번째로 Amazon Braket에서 제공하는 주피터 노트북(Jupyter Notebook) 및 Amazon Braket SDK를 이용하여 양자 알고리즘을 개발할 수 있습니다. 두번째로, 완성된 양자 알고리즘을 대상으로 시뮬레이터를 이용하여 QPU에 제출하기 전에 사전 테스트를 수행할 수 있습니다. Amazon Braket에서는 알고리즘 검증을 위해 다양한 시뮬레이터를 제공하고 있습니다. 세번째로, 시뮬레이터를 통해 테스트가 완료된 양자 알고리즘을 Amazon Braket에서 제공하는 다양한 QPU에 제출하여 양자 알고리즘의 실제 실행 결과를 확인할 수 있습니다. 마지막으로, 시뮬레이터 또는 QPU를 이용하여 수행한 양자 알고리즘의 실행 결과를 저장하거나 분석하는 것이 가능합니다. 또한 실행중인 알고리즘에 대한 모니터링도 가능합니다. 개별 내용들에 대해서는 이 블로그 시리즈에서 자세히 설명하도록 하겠습니다.

Amazon Braket 아키텍처

다음은 Amazon Braket 아키텍처에 대해 소개하도록 하겠습니다. 그림5는 전반적인 Amazon Braket 아키텍처에 대해 설명하고 있습니다. 양자 연구원/개발자는 일반적으로 양자 디바이스(시뮬레이터 또는 QPU)에 다음과 같이 3가지 방식으로 접근할 수 있습니다.

첫번째로 가장 일반적인 방법은, 앞서 언급한 AWS에서 제공하는 주피터 노트북을 통해 접근하는 방법입니다. Amazon Braket은 양자 알고리즘 개발을 위한 완전 관리형 서비스로, 주피터 노트북(그림5에서 매니지드 노트북) 환경을 제공합니다. 이 환경에서는 qiskit과 유사한 AWS 양자 개발 플랫폼인 브라켓 SDK와 페니레인(PennyLane)과 같이 여러 필요한 소프트웨어가 사전 설치되어 있어 사용자가 손쉽게 양자 회로를 구축하고 실험할 수 있습니다. Amazon Braket SDK는 Python을 기반으로 하며, Python 프로그래밍 언어를 사용하여 양자 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있습니다. Amazon Braket 환경에서 사용되는 주피터 노트북은 AWS의 머신 러닝 서비스인 Amazon SageMaker에서 제공하는 주피터 노트북 환경에 기반하며, 사용자는 친숙한 인터페이스를 통해 양자 알고리즘을 개발할 수 있습니다. Amazon Braket의 주피터 노트북은 양자 컴퓨팅 실험을 시작하는 데 적합하며, 시뮬레이터를 포함하여 다양한 양자 하드웨어에 대한 접근을 지원합니다. 주피터 노트북을 호스팅하는 서버인 Amazon EC2 인스턴스 타입은, Amazon Braket 콘솔에서 주피터 노트북 생성시 사용자가 선택 가능합니다.

<그림 5. Amazon Braket 아키텍처>

두번째 방법은 AWS가 제공하는 주피터 노트북 대신, 사용자의 개인 PC에 직접 Amazon Braket SDK 설치 후 콘다(conda)와 같은 통합 개발 환경을 추가 설치하여 접근하는 방법입니다. 이 방식은 클라우드 컴퓨팅 환경에 익숙하지 않은 양자 연구원이 자신의 로컬 개발 환경을 이용하여 Amazon Braket에 접근할 때 사용할 수 있습니다. 이 경우에는 AWS 클라우드에 접근하기 위하여, 사용자 본인이 직접 AWS 클라우드 환경 접속을 위한 적절한 접근 권한 설정을 진행해야 합니다. 이러한 접근 방법은 주피터 노트북 호스팅 관점에서 EC2 인스턴스 비용이 발생하지 않는다는 장점을 제외하고는, 성능 및 사용 편의성 측면에서 추천 드리고 싶지는 않습니다.

세번째로 Amazon Braket의 콘솔 화면(그림3)에서 시뮬레이터나 QPU의 정보 및 양자 알고리즘 수행에 관한 모니터링을 수행할 수 있습니다.

그림5에서 양자 디바이스 중 Amazon EC2 인스턴스 기반으로 동작하는 시뮬레이터(정확히는 온디맨드 시뮬레이터)는 Amazon Braket에 포함되어 있으며, QPU는 AWS 클라우드 외부에 존재함을 기억할 필요가 있습니다. 현재 Amazon Braket은 다양한 서드 파티(3^rd party) QPU를 제공하고 있으며, 이러한 서드 파티 QPU를 Amazon Braket에서 API를 통해 직접 엑세스하도록 지원합니다.

마지막으로 Amazon Braket에 다양한 AWS 서비스를 연동하여 자신만의 아키텍처 구현이 가능합니다. 이와 관련해서는 이미 앞서 언급한 바 있습니다. 예를 들어, AWS의 대표적인 모니터링 서비스인 Amazon CloudWatch를 연동할 경우 다양한 지표를 활용하여 Amazon Braket 사용에 대한 모니터링이 가능합니다. AWS의 접근제어 서비스인 IAM(Identity and Access Management)을 사용하면, Amazon Braket 사용자에 대한 접근 관리 및 양자 디바이스 접근에 대한 액세스 제어가 가능합니다. 또한 Amazon EventBridge를 사용할 경우에는 Amazon Braket 작업 상태 및 이벤트를 모니터링하여 태스크의 상태가 변경되었을 때 사용자에게 알림을 제공할 수 있습니다. 키 관리시스템인AWS KMS(Key Management System)는 데이터를 암호화하는데 사용할 수 있습니다. 연산 결과는 AWS의 오브젝트 스토리지인 Amazon S3에 JSON 파일 형태로 별다른 설정 없이 자동 저장됩니다.

맺음말

AWS는 양자 컴퓨팅의 미래를 선도하기 위해 기술 연구, 인프라 구축, 고객 지원을 아우르는 종합적인 전략을 펼치고 있습니다. Amazon Braket은 클라우드의 유연성과 접근성을 바탕으로 양자 기술의 문턱을 낮추었으며, 사용자가 복잡한 인프라 관리 없이 알고리즘 개발과 테스트에 집중할 수 있도록 지원합니다. 특히 다양한 QPU 제공을 통해 특정 기술에 종속되지 않는 개방형 플랫폼으로서의 역할을 강조하며, AWS 서비스와의 원활한 연동으로 확장성 있는 양자 연구 환경을 구축했습니다.

이러한 노력은 ‘AWS Center for Quantum Computing’의 양자 하드웨어 및 소프트웨어 연구와 ‘Advanced Solutions Lab’의 고객 맞춤형 지원으로 더욱 구체화됩니다. 양자 하드웨어 및 오류 수정 기술 개발부터 실제 비즈니스 적용 사례 탐색까지, AWS는 양자 컴퓨팅 생태계의 성장을 위한 인프라와 협업 체계를 동시에 확보하고 있습니다.

앞으로도 AWS는 양자 컴퓨팅이 가진 잠재력을 실현하기 위해 지속적인 투자와 혁신을 이어갈 것입니다. 후속 편에서는 Amazon Braket의 시뮬레이터와 QPU 운영 메커니즘, 그리고 비용 체계를 소개하며, 블로그 독자들이 양자 기술을 보다 실용적으로 활용할 수 있는 방법을 소개할 예정입니다. 클라우드와 양자의 융합은 이제 시작 단계에 불과하지만, AWS의 포괄적인 접근 방식은 미래 기술 혁신의 초석이 될 것으로 기대합니다.