520큐비트 설계 목표 제시…아이비엠, 2027년 칩 2개 연결 계획

아이비엠($IBM)이 프로그래밍 가능 큐비트 520개를 목표로 한 차세대 양자 프로세서 나이트호크 r3 설계안과 양자·일반 컴퓨팅을 연결하는 플랫폼 기능을 공개했다.

아이비엠은 11일 공식 발표에서 나이트호크 r3가 큐비트 520개로 양자 연산 1만 회를 정확하게 실행하도록 설계된다고 밝혔다. 프로세서 전체의 물리적 큐비트는 2034개다. 520개는 계산에 활용하도록 프로그래밍할 수 있는 큐비트 수로, 현재 장비의 실측 성능이 아니라 설계 목표다.

현재 가동 중인 나이트호크 r2는 프로그래밍 가능 큐비트 120개와 물리적 큐비트 458개를 갖췄다. 아이비엠은 6일(현지시간) 미국 시카고에서 나이트호크 r2 장비를 가동했다.

양자 회로를 한 차례 실행하면 결과 표본 하나가 나온다. 복잡한 계산은 결과를 반복해 모으는 만큼 큐비트 수와 함께 실행 속도도 중요하다.

나이트호크 r2는 초당 최대 10만 개 표본을 처리하고, 큐비트 120개에서 7500회를 넘는 양자 연산을 수행한다. 아이비엠은 고객과 협력사가 이 프로세서에서 회로 340억 회 이상을 실행했으며, 이전 아이비엠 프로세서보다 최대 19배의 성능 개선을 보고했다고 밝혔다.

나이트호크 r3에는 프로세서 사이를 연결하는 장치인 l-coupler 10개가 들어갈 예정이다. 아이비엠은 r2의 정사각 격자 연결 구조와 빠른 연산을 바탕으로 프로세서를 잇는 설계를 제시했다.

아이비엠은 올해 나이트호크 r1 프로세서 두 개를 l-coupler 4개로 연결해 양자 상태 전송 충실도 99.3%를 기록했다. 회사가 제시한 목표치 99.9%를 향해 진전한 실험이다.

아이비엠은 극저온 모듈 두 개를 하나의 시스템으로 연결하는 작업도 처음으로 시연했다. 시스템은 5일 안에 작동 온도에 도달했고, 온도는 15밀리켈빈 아래로 내려갔다.

하드웨어 개발과 별도로 아이비엠 퀀텀 플랫폼(IBM Quantum Platform)은 양자 계산과 노트북·슈퍼컴퓨터의 일반 계산을 한 관리형 환경에서 연결한다. 연구자는 매번 계산 환경을 직접 이어 붙이지 않고 양자·일반 컴퓨팅 작업 흐름을 함께 구성할 수 있다.

아이비엠은 양자 작업 규모가 커질수록 오류 정정·완화와 잡음 학습, 후처리에 필요한 일반 컴퓨팅 자원도 늘어난다고 설명했다. 플랫폼은 노트북부터 고성능 컴퓨터까지 다양한 계산 자원을 양자 작업과 결합하도록 지원한다.

플랫폼은 펄스 단위 제어 기능도 제공한다. 연구자는 이를 이용해 연산 시점을 조정하고 오류를 감지·분석하며, 큐비트를 더 빠르게 초기화하고 측정 정보를 추출할 수 있다.

아이비엠은 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구진과 표본 기반 양자 대각화 작업을 진행해 기존 연구보다 약 5배 빠르게 실행하면서 계산량을 100배로 늘렸다고 밝혔다. 이는 해당 연구진의 별도 작업에서 나온 결과다.

클리블랜드 클리닉(Cleveland Clinic)과 일본 이화학연구소는 생물학 관련 구조를 모델링하는 과정에서 표본 6억800만 개를 자동 처리했다. 아이비엠은 작업 자동화가 없을 때보다 약 33배 빨랐다고 설명했다.

제이 감베타(Jay Gambetta) 아이비엠 리서치 디렉터 겸 아이비엠 펠로는 “유용한 양자컴퓨팅은 결과를 정확하고 빠르게 제공할 수 있는지에 달렸다”고 말했다. 성능을 판단할 때 큐비트 수와 함께 결과의 품질과 처리 시간도 봐야 한다는 취지다. 아이비엠은 2027년 나이트호크 r3 두 개를 연결해 1040큐비트 시스템을 구현할 계획이다.