IBM 차세대 양자칩 '나이트호크', 연세대에서 첫 가동…신약 개발 등 활용 확대

연세대 양자컴퓨팅센터 IBM 퀀텀 나이트호크 업그레이드 가동

120개 프로그래머블 큐비트 탑재…연결성·연산 속도 개선

IBM "2029년 오류 내성 양자컴퓨터 구현 목표"

4일 인천 송도 연세대학교 국제캠퍼스 양자컴퓨팅센터에서 IBM의 차세대 양자 프로세서 '퀀텀 나이트호크' 가동 시연이 진행되고 있다. 화면에는 연세대 양자컴퓨터의 연산 결과가 일본 이화학연구소(RIKEN)의 슈퍼컴퓨터 '후가쿠'로 전송되는 과정이 표시됐다. [사진=안신혜 기자]

버튼을 누르자 연세대학교 송도 국제캠퍼스 양자컴퓨팅센터에 설치된 IBM의 차세대 양자 프로세서 '퀀텀 나이트호크'가 가동됐다. 화면에는 연세대 양자컴퓨터에서 일본 이화학연구소(리켄, RIKEN)의 슈퍼컴퓨터 '후가쿠'로 연산 결과가 전송되는 과정이 나타났다.

4일 인천 송도 연세대학교 국제캠퍼스 양자컴퓨팅센터에서는 IBM의 차세대 양자 프로세서인 '퀀텀 나이트호크'를 탑재한 양자컴퓨터 가동식이 열렸다. 퀀텀 네트워크 참여 기관의 자체 시설에 나이트호크가 구축된 것은 전 세계 첫 사례다. 

연세대는 2024년 IBM의 양자컴퓨터 '퀀텀 시스템 원'을 도입했다. 당시 127큐비트 규모의 IBM '퀀텀 이글' 프로세서를 탑재했고, 이번에는 해당 컴퓨터에 최신 나이트호크 프로세서를 업그레이드해 설치했다. 

IBM은 이번 업그레이드를 통해 양자컴퓨터의 연산 처리 속도와 큐비트 간 연결성을 높이고, 실제 산업과 연구 현장에서 활용할 수 있는 양자컴퓨팅 기술 개발을 확대할 계획이다. 단순히 큐비트 수를 늘리는 데서 나아가 복잡한 양자 연산을 빠르고 정확하게 수행하는 기술 확보에 집중하고 있다.

나이트호크는 IBM이 현재까지 개발한 양자 프로세서 가운데 가장 빠른 연산 속도를 제공하는 프로세서다. 큐비트 간 연결성을 강화하고 연산 이후 큐비트를 초기 상태로 되돌리는 시간을 단축했다. 

나이트호크는 120개의 프로그래머블 큐비트와 이를 지원하는 218개의 커플러, 120개의 리셋 요소 등 총 458개의 물리적 양자 구성 요소를 갖췄다. 단순히 연산에 사용하는 큐비트 수를 늘리는 대신 큐비트의 연결과 제어에 필요한 하드웨어를 강화한 것이다.

양자컴퓨터 개발에서 큐비트의 단순한 숫자보다 실제 연산에 활용할 수 있는 큐비트의 성능과 연결성이 중요해지고 있다. 큐비트 수가 많더라도 연산 과정에서 오류가 발생하거나 큐비트 간 연결이 제한되면 복잡한 계산을 수행하는 데 한계가 있기 때문이다.

제리 차우 IBM 펠로우 겸 양자중심슈퍼컴퓨팅 최고기술책임자(CTO)는 "나이트호크 R2는 120개의 프로그래머블 큐비트를 갖추고 있지만 실제 물리 구성 요소는 458개에 달한다"며 "이러한 구조를 통해 큐비트 간 연결을 제어하는 커플러 게이트 연산과 빠른 큐비트 초기화가 가능하다"고 설명했다.

큐비트 간 연결성도 개선됐다. 기존 이글 프로세서에서는 하나의 큐비트가 평균 2.5개의 다른 큐비트와 연결된 것과 달리 나이트호크는 격자형 구조를 적용해 평균 4개로 연결성을 높였다. 기존에는 멀리 떨어진 큐비트끼리 연산하려면 여러 단계의 추가 연산이 필요했지만 연결성이 강화되면서 복잡한 양자회로를 보다 효율적으로 실행할 수 있게 됐다.

IBM은 향후 프로그래머블 큐비트 수를 500개 이상으로 늘리고 여러 프로세서를 연결해 1000큐비트 이상 규모의 양자컴퓨터를 구현할 계획이다. 

차우 CTO는 "향후 2년 안에 이러한 기술 개발을 추진하겠다"며 "2029년까지 연산 과정에서 발생하는 오류를 수정할 수 있는 오류 내성 양자컴퓨터 구현하겠다"고 제시했다. 

연세대는 이번 업그레이드를 통해 양자컴퓨터의 활용 범위를 다양한 산업 분야로 확대할 계획이다. 바이오·신약 개발을 비롯해 우주 탐사, 기후변화, 에너지, 인공지능(AI) 등 복잡한 계산이 필요한 분야에서 양자컴퓨팅 기술을 활용한다는 구상이다.

기대되는 분야는 신약 개발이다. 정재호 연세대 양자사업단장은 "신약 개발에 평균 15년의 시간과 약 5조원의 비용이 투입되지만 성공률은 4% 수준에 그친다"며 "양자컴퓨터를 활용해 신약 개발 초기 단계의 복잡한 계산을 빠르게 처리하면 개발 기간을 단축할 수 있을 것"이라고 말했다. 

일본 이화학연구소(리켄)와도 협력하고 있다. 연세대의 양자컴퓨터와 리켄 연구소의 슈퍼컴퓨터 후가쿠를 연결하는 하이브리드 컴퓨팅 환경을 구축했다. 양자컴퓨터만으로 해결하기 어려운 복잡한 문제를 기존 슈퍼컴퓨터와 함께 처리하기 위한 것이다.

IBM은 이 같은 연구 성과를 바탕으로 양자컴퓨팅의 산업 활용 가능성을 높여 나갈 방침이다. 차우 CTO는 "양자컴퓨팅은 이미 실제 과학적 문제에 적용되고 있으며, 연구기관과 기업들이 향상된 연산 성능을 활용하고 있다"며 "앞으로 화학과 소재과학, 생물학 등 다양한 분야에서 양자컴퓨팅의 활용을 확대할 것"이라고 말했다.