Quantinuum, 98큐비트 트랩이온 컴퓨터 Helios로 최대 기록 경신

Helios의 구조: QCCD 아키텍처와 4방향 X 접합부

Helios는 QCCD(양자 전하결합소자) 아키텍처를 기반으로 한다. 이 설계 방식은 2002년에 고안된 것으로, 양자 정보를 저장하는 영역과 처리하는 영역을 물리적으로 분리한다는 점에서 고전 컴퓨터의 메모리-프로세서 구조와 유사하다. 이온(전하를 띤 원자)을 전자기장으로 공중에 붙잡아 두고, 레이저 펄스로 연산을 수행한다.

Helios의 기하학적 형태는 장미꽃 모양(rosette)에 비유된다. 중앙의 저장용 링과 두 개의 처리용 스트리머가 맞닿는 지점에 4방향 X 접합부가 위치한다. 이전 세대 QCCD 기기들이 단일 선형 또는 루프 구조로만 이온을 이동시킬 수 있었던 것과 달리, X 접합부는 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있게 한다. 이를 뒷받침하는 것이 Helios runtime이라 불리는 새로운 고전 제어 소프트웨어로, 이온 이동과 연산 순서를 최적화하는 역할을 맡는다.

QCCD 방식의 세 가지 기술적 이점

트랩이온-QCCD 접근법이 갖는 주요 이점은 세 가지다. 첫째, 특정 큐비트에 작용하는 게이트가 인접 큐비트에 미치는 영향(크로스토크)이 줄어든다. 둘째, 연산 도중 큐비트를 측정하고 초기화할 수 있어 오류를 조기에 탐지·수정할 수 있다. 셋째, 메모리 내 멀리 떨어진 큐비트들을 물리적 이동을 통해 연결할 수 있어 연산 효율이 높아진다. 초전도 방식이 큐비트를 고정된 위치에 두고 전기 신호로 처리하는 것과 대비되는 특성이다.

벤치마크 성과와 현실적 한계

Quantinuum은 Helios가 알려진 방법으로는 슈퍼컴퓨터도 현실적인 시간과 전력 내에 처리할 수 없는 연산을 수행했다고 밝혔다. 그러나 이번에 수행된 연산들은 무작위 벤치마크 테스트에 국한돼 있으며, 과학·산업 현장에서 실질적 가치를 창출하는 응용으로 이어지기까지는 상당한 거리가 있다. Helios가 수행한 가장 긴 연산은 98큐비트에서 약 4,000회 연산에 그쳤다.

실용적 양자컴퓨팅을 위해서는 낙관적 추정치로도 약 100만 큐비트 수준의 결함허용(fault-tolerant) 양자컴퓨터가 필요하다. 영국 국가양자전략 Mission 1은 1조 회 연산 수준의 결함허용 양자컴퓨터 실현을 목표로 제시하고 있다. 이를 QCCD 방식으로 달성하려면 수천 개의 장치를 양자 링크로 연결해야 하며, 이온 이동 시 발생하는 교통 정체와 유사한 '큐비트 잼' 문제는 아직 실제로 직면하지도 않은 과제다.

Quantinuum의 개발 궤적과 향후 전망

Quantinuum은 2023년 32큐비트, 2025년 56큐비트 기기를 순차적으로 시연해 왔으며, Helios는 그 연장선에서 98큐비트를 달성했다. 트랩이온 방식은 큐비트 품질 면에서 강점을 가지지만, 이온의 물리적 이동이 본질적으로 느리고 장치 규모가 커질수록 그 속도 문제가 심화될 수 있다는 점은 장기적 확장성의 걸림돌로 지목된다. 결함허용 양자컴퓨터의 최종 형태가 어떤 방식이 될지는 여전히 열린 문제다.