양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – Part 5: QPU

이번 블로그는 ‘양자 컴퓨팅이란 무엇인가?’ 시리즈의 다섯 번째 글로, 양자 컴퓨팅에서 핵심적인 역할을 수행하는 QPU(Quantum Processing Unit)와 다양한 플랫폼에 대해 자세히 알아보겠습니다.

시리즈 블로그 보기

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – part 1: 양자 컴퓨터의 개념, 등장 배경, 분류 체계 등

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – part 2: 양자 컴퓨터가 적합한 문제들, 활약이 기대되는 분야, 양자 컴퓨터 생태계

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – part 3: 큐비트, 양자 중첩, 얽힘 및 측정, 고속 연산을 수행하는 방법

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – part 4: 양자 컴퓨터가 빠르다는 의미, 양자 회로, 양자 연산의 원리

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – Part 5: QPU

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – Part 6: 양자 컴퓨터의 성능지표, 도전 사항, 양자 오류 제어

• 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? – Part 7: 하이브리드 접근법, 양자 연산이 구현되는 여정

양자 컴퓨터는 단순히 QPU만으로 구성된 것이 아니라, 제어 장치, 극저온 냉각 시스템, 신호 증폭기, 오류 정정 장치 등 다양한 하드웨어와 소프트웨어가 복합적으로 구성된 시스템입니다. 그 중에서도 QPU는 양자 컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 양자 중첩과 얽힘 상태를 안정적으로 생성하고 유지하는 것이 핵심 기능입니다. 오늘날 양자 컴퓨터를 구현하는 방식에는 초전도체, 이온 트랩, 중성원자 등 다양한 하드웨어 플랫폼이 존재하며, 각각은 큐비트의 물리적 구현, 제어 방식, 확장성 등에서 뚜렷한 차이를 보입니다. 이번 글에서는 이러한 다양한 하드웨어 플랫폼의 작동 원리와 장단점을 비교하며, 현재 양자 컴퓨터 기술의 현주소를 살펴보겠습니다.

오늘날의 양자 컴퓨터 시스템의 구조

일부 언론에서 ‘양자 컴퓨터’라는 용어가 종종 QPU만을 가리키는 데 사용되지만, 실제로 양자 컴퓨터는 QPU뿐 아니라 여러 하드웨어와 소프트웨어 요소가 결합된 복잡한 시스템입니다. 마치 우리가 사용하는 PC에 CPU 외에도 메모리, 저장장치, 입출력 장치 등 다양한 부품이 포함되어 있듯이, 양자 컴퓨터 역시 QPU 외에 제어 장치, 극저온 냉각 시스템, 신호 증폭기, 오류 정정 장치 등이 통합되어야 비로소 온전한 컴퓨터로 기능할 수 있습니다.

그림1은 양자 컴퓨팅 시스템의 구조를 쉽게 설명한 그림입니다. 양자 컴퓨터가 어떻게 여러 계층과 장치로 구성되어 있는지 보여줍니다. 입문자도 이해할 수 있도록 각 부분을 차례로 설명하겠습니다. 양자 컴퓨터는 크게 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 하나는 실제로 계산을 수행하는 QPU(그림1의 오른쪽)이고, 다른 하나는 이 프로세서를 제어하고 데이터를 주고받는 여러 소프트웨어와 하드웨어 계층(그림1의 왼쪽)입니다.

<그림 1. 양자 컴퓨터의 아키텍처>

양자 컴퓨터를 구성하는 레이어는 다음과 같습니다.

Quantum Circuit Compiler(양자 회로 컴파일러): 사용자가 작성한 양자 알고리즘(예: 양자 회로)을 실제 QPU가 이해할 수 있는 명령어로 바꿔주는 역할을 합니다. 쉽게 말해, 우리가 짠 프로그램을 양자 컴퓨터가 실행할 수 있도록 번역해 주는 소프트웨어입니다.

Control Pulse Layer(제어 펄스 계층): QPU는 전기 신호(펄스)를 받아서 동작합니다. 이 계층은 상단의 컴파일러가 번역한 명령을 실제 전기 신호로 바꿔주는 역할을 합니다. 즉, 소프트웨어 명령을 하드웨어가 이해할 수 있는 신호로 변환합니다.

Error Decoding Layer(오류 해독 계층): 양자 컴퓨터는 외부 환경에 매우 민감해 오류가 자주 발생합니다. 이 계층은 계산 중에 생길 수 있는 오류를 감지하고, 필요하다면 수정하는 역할을 합니다.

Classical Compute Layer(고전 컴퓨팅 계층): 양자 컴퓨터는 혼자서 모든 계산을 처리하지 않습니다. 고전 컴퓨터(일반 컴퓨터)가 함께 동작하면서, 양자 컴퓨터를 제어하고 결과를 처리합니다. 이 계층은 양자와 고전 컴퓨터가 협력하는 부분입니다.

Analog <-> Digital Control Signal I/O(아날로그-디지털 제어 신호 입출력): 컴퓨터 명령은 보통 디지털 신호(0과 1)로 이루어져 있지만, QPU는 아날로그 신호(연속적인 값)를 필요로 합니다. 이 계층은 디지털 신호와 아날로그 신호를 서로 변환해 주는 역할을 합니다.

Quantum Processor(QPU): 실제로 양자 계산이 이루어지는 부분입니다. 큐비트가 이 안에 들어 있으며, 우리가 원하는 양자 연산을 수행합니다. 이 프로세서는 외부 환경의 영향을 최소화하기 위해 “패키지/실드(Shield)”로 보호됩니다.

Environmental Shield(s)(환경 보호막): QPU는 외부 온도, 전자기파 등 환경 변화에 매우 민감합니다. 그래서 특별한 차폐 장치로 둘러싸여 있습니다.

Control I/O Wiring(제어 신호 배선): QPU와 외부 제어 장치(컴퓨터 등)를 연결하는 전선입니다. 이 배선을 통해 신호가 오가며, 컴퓨터와 QPU가 소통합니다.

정리하면, 양자 컴퓨터는 우리가 작성한 프로그램(알고리즘)을 여러 소프트웨어와 하드웨어 계층을 거쳐, 실제 QPU에서 실행하고, 그 결과를 다시 고전 컴퓨터에서 처리하는 방식으로 동작합니다. 각 계층은 서로 다른 역할을 하며, 전체적으로 협력해서 양자 계산이 이루어집니다. 양자 컴퓨팅이 구현되는 전반적인 여정에 대해서는 7번째 마지막 시리즈에서 보다 자세히 소개할 예정입니다.

양자 컴퓨터의 핵심, QPU

QPU는 그림1의  전체 양자 컴퓨터 시스템의 연산 중심에 위치합니다. QPU는 양자 컴퓨터의 핵심 두뇌로서 기존 컴퓨터의 CPU와 동일한 역할을 수행하지만, 양자 역학적 원리에 기반하여 작동합니다. 일반 컴퓨터의 CPU가 0과 1이라는 명확한 이진 비트만을 처리하는 것과 달리, QPU는 양자 중첩 원리에 따라 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 큐비트(qubit)를 기본 정보 단위로 사용합니다.

QPU의 가장 중요한 역할은 양자 중첩과 얽힘 상태를 안정적으로 생성하고 유지하는 것입니다. 이러한 섬세한 양자 역학적 상태를 보존하기 위해 많은 QPU 시스템이 극저온 환경에서 작동하며, 외부 간섭으로부터 큐비트를 보호하기 위한 정교한 시스템을 갖추고 있습니다.

구체적인 작동 과정은 다음과 같습니다. 먼저 QPU 내의 큐비트들은 기본적으로 고전 비트의 ‘0’에 해당하는 |0⟩ 상태로 초기화됩니다. 이후 양자 회로도에 따라 어떤 연산을 적용할지 결정됩니다. 특히 초전도 회로를 사용하는 양자 컴퓨터에서는 양자 회로도에 맞춰 마이크로파 펄스를 큐비트로 보내 연산을 수행합니다. 각 펄스는 ‘X’ 게이트나 ‘H’ 게이트와 같은 특정 양자 게이트 연산을 구현하여 큐비트의 상태를 변화시킵니다. 모든 양자 연산이 완료된 후에는 큐비트 상태를 측정하여 계산 결과를 얻게 되는데, 이 측정 과정에서 양자 상태는 고전적인 정보(0 또는 1)로 변환됩니다.

QPU를 구현하는 방법

현재 양자 컴퓨터를 구현하는 대표적인 하드웨어 플랫폼에는 그림2와 같이 초전도체, 실리콘 스핀, 포토닉스, 중성 원자, 그리고 이온 트랩 방식 등이 존재합니다. 이들 각각은 큐비트의 물리적 구현, 제어 방식, 제조 공정, 확장성, 그리고 주요 기업 플레이어 측면에서 뚜렷한 차이를 보이고 있습니다. 또한 현재까지 어느 방식의 하드웨어 플랫폼이 최후의 승자가 될지 알 수 없습니다. 지금부터는 이러한 다양한 하드웨어 플랫폼 중, 업계에서 가장 많이 사용되며 많은 관심을 받는 1) 초전도체, 2) 이온 트랩, 3) 중성원자 방식에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다. 참고로 AWS에서 제공하는 클라우드 기반의 양자 컴퓨팅 서비스인 Amazon Braket에서도 이 세 가지 방식을 모두 지원하고 있습니다.

<그림 2. QPU(큐비트) 구현을 위한 대표적 방식>

초전도체 방식의 하드웨어 플랫폼

초전도체(Super-conducting) 방식의 QPU는 현재 양자 컴퓨터 업계에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 미디어에서 종종 볼 수 있는, 샹들리에처럼 생긴 양자 컴퓨터의 이미지는 대부분 이 초전도체 QPU를 기반으로 한 것입니다.

이 방식은 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 완전히 0이 되는 초전도 현상을 이용하여, 반도체로 만든 전기 회로를 양자 상태로 만드는 것이 핵심입니다. 즉, 전류가 흐를 때 저항이 없어 발열이 거의 없고, 외부 환경의 영향을 최소화할 수 있는 환경에서 큐비트를 구현하는 것입니다.

초전도체 방식의 큐비트는 알루미늄이나 나이오븀(niobium, 원자번호 41번)과 같은 특수한 금속으로 만든 초소형 회로입니다. 이 회로에는 조셉슨 접합(Josephson Junction)이라는 특수한 구조가 있는데, 이는 전류가 두 가지 방향(시계 방향, 반시계 방향)으로 동시에 흐를 수 있게 해 줍니다. 즉, 이 두 상태가 동시에 존재하는 ‘양자 중첩’ 상태를 만들어 큐비트로 사용합니다. 여기에 마이크로파 펄스를 주입하면, 큐비트의 상태를 자유롭게 바꿀 수 있습니다. 이 원리를 이용해 다양한 양자 논리 연산을 수행합니다.

하지만 이 방식에는 한계가 있습니다. 첫째, 큐비트를 안정적으로 유지하려면 극저온(절대온도에 가까운 온도, 약 -273도 부근) 환경이 필수적입니다. 이를 위해 QPU 전체를 마치 샹들리에처럼 보이는 거대한 냉각 장치(딜루션 냉동기, dilution refrigerator)에 넣어야 하므로, 시스템이 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 둘째, 큐비트가 외부 환경에 민감해 ‘결맞음 시간(coherence time, 양자 상태가 유지되는 시간)’이 짧고, 큐비트 수가 많아질수록 서로 간섭이 늘어나 제어가 어려워집니다. 또한, 회로를 일일이 설계해 인위적으로 큐비트를 만들어야 하므로, 큐비트의 불안정성도 상대적으로 높습니다.

그럼에도 불구하고 초전도체 방식은 전기 신호만으로 큐비트를 빠르고 정밀하게 제어할 수 있고, 기존 반도체 공정과 유사한 제조 기술을 활용할 수 있어 대규모 집적에 유리합니다. 이 때문에 현재 상용 양자 컴퓨터 개발의 주류 기술로 자리 잡고 있습니다. 초전도체 QPU의 대표적인 예로는 IBM, 구글, Rigetti, IQM 등 세계적인 기업들이 개발한 칩이 존재합니다. 참고로 AWS에서도 초전도체 기반으로 양자 칩을 직접 개발하고 있으며, 클라우드 양자 컴퓨팅 서비스인 Amazon Braket을 통해 Rigetti, IQM의 양자 하드웨어를 제공하고 있습니다. 관련된 내용은 추후에 다른 블로그에서 보다 자세히 설명하도록 하겠습니다.

<그림 3. 초전도체 방식의 QPU 구현 방법(by Rigetti)>

이온 트랩 방식의 하드웨어 플랫폼

이온 트랩(Ion trap) 방식의 QPU는 양자 컴퓨터에서 큐비트를 구현하는 대표적인 하드웨어 플랫폼 중 하나입니다. 이 방식은 전기적 성질을 띠는 원자, 즉 자연 상태의 이온을 진공 용기 안에 가두고 전기장(또는 자기장)을 가해 공중에 띄워 배열한 뒤, 이 이온들을 큐비트로 활용합니다. 즉, 아주 깨끗한 공간에서 이온을 한 줄로 공중에 띄워놓고, 각각을 양자 컴퓨터의 정보 단위인 큐비트로 쓰는 것입니다.

이온 트랩 방식은 1990년대 중반부터 실험적으로 구현되어 온, 가장 역사가 오래된 양자 컴퓨터 구현 기술 중 하나입니다. 대표적으로 IonQ와 Quantinuum(구 Honeywell Quantum Solutions)과 같은 기업들이 이온 트랩 방식 QPU를 상용화하고 있으며, 삼성전자와 현대자동차 등 국내 대기업들도 IonQ에 투자할 만큼 이 기술에 높은 관심을 보이고 있습니다.

이온 트랩 방식의 가장 큰 장점은 자연 상태의 이온을 큐비트로 쓸 수 있다는 점입니다. 자연 상태의 이온은 원자 구조가 거의 완벽하게 동일하고, 외부 환경과 잘 격리되어 있어 큐비트로 사용하기에 매우 적합합니다. 이온 트랩 방식은 외부 환경의 영향을 거의 받지 않기 때문에 매우 안정적이며, 양자 상태가 오랫동안 유지됩니다. 즉, 결맞음 시간이 상대적으로 오래 동안 유지됩니다. 또한, 계산의 정확도가 높고, 양자 정보를 오랜 시간 안정적으로 보존할 수 있습니다. 실제로 그림4와 같이, 파란 점처럼 보이는 것이 바로 레이저로 포획된 이온들이며 이들이 큐비트 역할을 수행합니다.

<그림 4. 이온 트랩 방식의 QPU 구현 방법 (by IonQ)>

하지만 이온 트랩 방식에도 한계가 있습니다. 이온 간의 간격이 좁고, 모든 이온에 균일하게 전기장을 가하는 것이 기술적으로 까다롭기 때문에, 많은 수의 큐비트를 한 번에 다루기가 쉽지 않습니다. 즉, 큐비트 수를 대규모로 늘리는 데 한계가 있습니다. 이 때문에 현재 이온 트랩 방식은 뛰어난 안정성과 정확성을 자랑하지만, 큐비트 확장성(scalability)이 상대적으로 떨어진다는 점이 단점으로 꼽힙니다.

정리하자면, 이온 트랩 방식 QPU는 자연 상태의 이온을 이용해 매우 안정적이고 정확한 큐비트를 구현할 수 있는 기술입니다. 다만, 큐비트 수를 크게 늘리기에는 기술적인 어려움이 있어, 앞으로 이 부분을 극복하는 것이 중요한 과제가 되고 있습니다.

중성원자 방식의 하드웨어 플랫폼

중성원자(Neutral atom) 방식의 QPU는 양자 컴퓨터를 구현하는 여러 방식 중 하나로, 전기적 전하를 띠지 않는 자연 상태의 중성원자(양성자수와 전자수가 동일)를 큐비트로 활용하는 기술입니다. 이 방식은 자연 상태 그대로의 원자를 사용하기 때문에 모든 큐비트가 완벽하게 동일한 특성을 가진다는 큰 장점이 있습니다.

중성원자 QPU의 핵심 기술은 ‘광집게(optical tweezers)’라는 특수한 레이저 시스템입니다. 이 광집게는 레이저를 매우 강하게 초점에 모아 그 초점 부분에 원자나 분자가 달라붙도록 만듭니다. 쉽게 말해, 레이저 빛으로 만든 ‘핀셋’으로 개별 원자를 하나씩 집어 원하는 위치에 배치하는 것입니다. 그림5에서 볼 수 있듯이, 이 시스템은 매우 복잡한 광학 시스템으로 구성되어 있으며, 진공 챔버 내에서 레이저 광선을 정밀하게 제어합니다. 연구자들은 이 광집게를 이용해 원자들을 격자 구조나 다양한 형태로 배열할 수 있으며, 알고리즘의 도움을 받아 최적의 배치 경로를 찾아냅니다. 원자가 배열된 후에는, 또 다른 레이저를 이용해 개별 원자의 상태를 변화시키며 양자 연산을 수행합니다. 이처럼 레이저만으로 원자를 자유자재로 배치하고 제어할 수 있다는 점이 중성원자 방식의 가장 큰 특징입니다.

중성원자 방식 QPU의 첫 번째 장점은 자연 상태의 원자를 사용하기 때문에 모든 큐비트가 완벽하게 균일하다는 점입니다. 인위적으로 만든 큐비트와 달리, 같은 원소의 원자는 모두 동일한 특성을 가지므로 양자 상태의 일관성이 매우 높습니다. 두 번째 장점은 높은 확장성과 제어성입니다. 광집게 기술을 이용하면 원하는 모양으로 쉽게 원자를 배열할 수 있고, 원자 수를 늘리는 것도 상대적으로 수월합니다. 이는 다른 양자 컴퓨팅 방식에 비해 큰 장점으로, 수백에서 수천 개의 큐비트로 확장할 가능성을 제공합니다.

하지만 중성원자 방식에도 한계가 있습니다. 가장 큰 단점은 원자들 간의 간격이 매우 좁아서(약 5~10 마이크로초 거리) 개별 원자를 정확하게 제어하기 어렵다는 점입니다. 특정 원자에만 정확히 레이저를 쏘기가 기술적으로 까다롭기 때문입니다. 또한, 전체 시스템 장치의 크기가 상대적으로 크다는 점도 단점입니다. 진공 챔버, 레이저 시스템 등 다양한 장비가 필요하기 때문에 소형화에 한계가 있습니다.

<그림 5. 중성원자 방식의 QPU 구현 방법 (by QuEra)>

중성원자 방식 QPU를 개발하는 대표적인 기업으로는 프랑스의 Pasqal과 미국의 QuEra가 있습니다. 특히 Pasqal은 2022년 노벨물리학상 수상자인 알랭 아스페(Alain Aspect) 파리 사클레대(Université Paris-Saclay) 교수가 창업했으며, QuEra는 하버드 대학교와 MIT의 연구진이 설립한 회사로 하버드의 미하일 루킨(Mikhail Lukin) 교수가 주요 인물입니다.

참고로 중성원자 방식의 양자 컴퓨터는 레이저를 이용해 큐비트를 그래프 형태로 자유롭게 배치할 수 있기 때문에, 그래프의 최대 독립 집합(Maximum Independent Set)과 같은 최적화 문제에 강점을 보이고 있어, 최근에 많은 기업들이 관심을 보이고 있습니다.

표1에서 위에서 언급한 주요 방식의 차이점을 정리하였습니다.

<표 1. QPU 플랫폼에 따른 차이점>

맺음말

이번 블로그에서는 양자 컴퓨터의 핵심인 QPU와 다양한 하드웨어 플랫폼에 대해 살펴보았습니다. QPU는 양자 컴퓨터의 두뇌 역할을 하며, 양자 중첩과 얽힘 상태를 안정적으로 생성하고 유지하는 것이 핵심 기능입니다.

현재 양자 컴퓨터 구현을 위한 대표적인 하드웨어 플랫폼으로는 초전도체, 이온 트랩, 중성원자 방식이 있으며, 각각 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 초전도체 방식은 빠른 게이트 속도와 확장성이 장점이지만 극저온 환경이 필요하고 결맞음 시간이 짧습니다. 이온 트랩 방식은 긴 결맞음 시간과 높은 정확도가 장점이나 대규모 확장에 제약이 있습니다. 중성원자 방식은 자연 상태의 원자를 사용해 균일한 큐비트 특성과 높은 확장성을 제공하지만, 개별 원자 제어의 어려움이 있습니다.

아직 어떤 방식이 최종적으로 승리할지 알 수 없으며, 각 플랫폼은 서로 다른 응용 분야에서 강점을 보일 수 있습니다. 앞으로 양자 컴퓨터 기술이 발전함에 따라 이러한 하드웨어 플랫폼들도 더욱 성숙해질 것이며, 실용적인 양자 컴퓨팅의 시대를 앞당기는 데 기여할 것입니다.

다음 블로그에서는 양자 컴퓨터의 성능 지표와 현재 양자 컴퓨팅이 직면한 다양한 도전 과제들에 대해 알아보겠습니다. 특히 큐비트의 품질과 오류 문제, 낮은 ROI, 느린 클럭 속도, 데이터 처리의 어려움 등 실용적 양자 컴퓨팅 구현을 위해 극복해야 할 기술적 한계와 양자 오류 제어 방법에 대해 심층적으로 다룰 예정입니다.