■ 인텔, 양자 컴퓨터 제어용 칩, 호스리지Ⅱ 공개

■ 인텔, 양자 컴퓨터 제어용 칩, 호스리지Ⅱ 공개

 

● "양자 컴퓨터 복잡한 배선 문제 해결, 22nm 공정에서 생산"

 

인텔 내부의 선행 기술 연구 조직인 인텔 랩스가 2020년 12월 03일양자 컴퓨터를 효율적으로 제어할 수 있는 칩인 '호스리지Ⅱ'(Horse Ridge II)를 공개했다. 호스리지Ⅱ(Horse Ridge II)는 인텔 22nm 핀펫 공정을 통해 생산되며, 양자 컴퓨터 제어용 장치 안에 직접 내장된다. 양자 컴퓨터를 제어하기 위해 필요했던 복잡한 배선 문제를 해결하는 한편 양자 컴퓨터 큐비트를 직접 관찰할 수 있는 기능을 갖췄다.

 

● "큐비트 활용한 양자 컴퓨터, 수많은 문제 해결"

 

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로 해결하기 힘들었던 화학, 재료, 생물학, 의학 등 연구와 함께 알고리즘 최적화, 암호화와 머신러닝 등에 기여할 것으로 주목받고 있다. 현대 컴퓨터는 0과 1로 구성된 비트(bit) 단위로 데이터를 처리한다. 반면, 양자 컴퓨터가 데이터를 처리하는 단위는 큐비트(qubit)이다. 2020년 12월 03일 온라인으로 진행된 인텔 랩스 데이 행사에서 제임스 클라크 인텔 랩스 퀀텀 하드웨어 부문 이사는 "큐비트는 회전하고 있는 동전처럼 양면성을 지닌다. 큐비트를 관측하는 시점에 따라 동전의 앞면이 나올 수도, 뒷면이 나올 수도 있다"고 설명했다. 기존 컴퓨터의 비트가 0 또는 1 등 한 가지 상태만 가지는 반면 큐비트(qubit)는 0과 1 상태를 동시에 지닌다. 또한, 큐비트가 늘어날수록 기존 트랜지스터 기반 컴퓨터에 비해 더 많은 데이터를 처리할 수 있다.

 

● 큐비트(qubit) 상태 관찰 가능한 '호스리지Ⅱ' 칩 공개

 

제임스 클라크 이사는 "인텔은 그동안 쌓아 온 트랜지스터 관련 기술을 양자 컴퓨터에 응용하고 있다"고 밝혔다. 게이트 사이의 전위를 제어하는 트랜지스터 기술을 양자 컴퓨터 생산에도 활용하고 있다는 것이다. 그러나, 양자 컴퓨터에서 효율적인 계산을 수행하기 위해서는 수백만 개의 큐비트가 필요하며, 이를 제어하기 위한 복잡한 전선 연결이 필요했다. 인텔이 이날 공개한 양자 컴퓨터 제어용 칩인 호스리지Ⅱ는 1세대 칩에 이어 두 가지 기능을 포함했다. 현재, 큐비트 상태를 읽을 수 있는 판독 기능과 많은 큐비트 게이트를 제어하는 기능인 '멀티 게이트 펄싱' 기능을 내장했다.

 

● 인텔, 2세대 극저온 양자 제어 칩 '호스리지' 공개

 

호스리지 II(Horse Ridge II)는 1세대 SoC의 기능 중 하나인 큐비트 드라이브를 기반으로 하는데 이는 큐비트의 상태를 조작하는 능력이다. 호스리지 II는 두 가지 제어 기능을 추가로 도입해 극저온 냉장고 내부에서 작동하는 SoC에 외부 전자 제어 장치를 추가적으로 통합할 수 있는 기반을 마련한다. 2세대 극저온 제어 칩인 호스리지 II (Horse Ridge II)은 양자 컴퓨팅의 최대 장애물 중 하나인 확장성 극복을 향한 또 한 번의 진전을 이루었다. 2019년 공개한 1세대 호스리지 컨트롤러의 혁신을 기반으로 한 호스리지 II의 새로운 기능에는 큐비트 상태를 조작하고 읽을 수 있는 기능과 다중 큐비트를 연결하는데 필요한 게이트들을 제어하는 기능이 포함된다.

 

★ 초기 양자 시스템은 희석 냉장고 내 큐비트 칩에 연결된 다수의 동축 케이블이 있는 실온에서 작동하는 전자 장비를 사용했다. 이러한 접근 방식은 폼팩터, 비용, 전력 소비량, 냉장고 열 부하로 인해 많은 수의 큐비트로 확장되지 않는다. 인텔의 첫 호스리지I(Horse Ridge I)는 양자 기계를 작동시키기 위해 냉장고와 연결된 수 천 개의 와이어와 장비 랙의 필요성을 획기적으로 간소화해 이 과제를 해결하기 위한 첫 발을 내디뎠다. 대신 인텔은 이 부피가 큰 계측기를 고도로 통합된 SoC (System-on-chip)로 대체했다. 이 SoC는 시스템 디자인을 간소화하고, 정교한 신호 처리 기술을 사용해 설정 시간을 단축한다. 또한, 큐비트 성능을 향상시켜, 엔지니어링 팀이 양자 시스템을 보다 많은 수의 큐비트로 효율적으로 확장할 수 있다.

 

★ 호스리지 II(Horse Ridge II)는 1세대 SoC의 기능 중 하나인 큐비트 드라이브를 기반으로 하는데 이는 큐비트의 상태를 조작하는 능력이다. 호스리지 II는 두 가지 제어 기능을 추가로 도입해 극저온 냉장고 내부에서 작동하는 SoC에 외부 전자 제어 장치를 추가적으로 통합할 수 있는 기반을 마련한다. 복잡한 배선 문제를 해결하지 않고 큐비트 수를 증가시키는 것은 스포츠카를 타고 교통 체증에 계속 갇혀있는 것과 유사하다. 호스리지 II는 양자 회로 제어를 더욱 간소화하며, 이를 통해 정확도 향상과 전력 소모 감소를 달성하고, ‘체증이 없는’ 통합 양자 회로에 더욱 가까워질 것으로 기대한다.

 

호스리지 II의 큐비트 판독은 많은 양의 데이터를 저장하지 않고도 저지연 온칩 큐비트 상태 탐지를 가능하게 하여, 메모리와 전력을 절약할 수 있도록 한다. 또한, 멀티 게이트 펄싱은 효과적인 큐비트 판독과 다중 큐비트의 관여 및 작동에 중요하게 작용하며, 보다 확장된 시스템을 가능하게 한다. 집적회로 내에서 작동하는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 추가하면, 호스리지 II는 세 가지 제어 기능이 실행되는 방법에 있어 더 높은 수준의 유연성과 정교한 제어 기능을 지원한다. 마이크로컨트롤러는 디지털 신호 처리 기술을 사용해 펄스에 추가 필터링을 적용함으로써 큐비트 간 교차점을 줄이는 데 도움을 준다.

 

호스리지 II는 인텔 22nm 저전력 핀펫(FinFET) 기술(22FFL)을 이용해 구현됐으며, 4 켈빈에서 성능이 검증됐다. 오늘날 양자 컴퓨터는 절대 영도 보다 약간 높은 밀리 켈빈 범위에서 작동한다. 그러나, 인텔의 양자 분야에서의 노력을 기반으로 실리콘 스핀 큐비트는 1켈빈 또는 이상의 온도에서 작동할 수 있어 양자 시스템의 냉각 문제를 크게 줄일 수 있다.