많은 회사들이 하드웨어와 소프트웨어 양방면으로 양자 컴퓨터 구축과 관련된 역량을 발전시키고 있다. IBM, 구글을 비롯해 테크업계를 선도하는 주요 기업은 인프라, 알고리즘 및 테스트용 개발 환경 등 양자 컴퓨팅 기능 개발에 전력을 다하고 있다. 

최초로 모듈형 양자 컴퓨터 개발한 IBM 

IBM은 2023년 12월 ‘IBM 퀀텀 서밋’에서 새로운 양자 프로세서 ‘IBM 퀀텀 헤론(Heron)’을 출시했다. 설계에만 4년이 걸린 IBM 퀀텀 헤론은 기존 ‘IBM 퀀텀 이글(Eagle)’과 비교해 오류율이 5분의 1로 줄어드는 등 지금까지 출시된 IBM양자 프로세서 중 가장 성능이 뛰어나다고 회사 측은 소개한다.

IBM은 이날 행사에서 최초의 모듈형 양자 컴퓨터인 ‘IBM 퀀텀 시스템 투(two)’도 공개했다. 뉴욕주 요크타운에 설치된 IBM 퀀텀 시스템 투는 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 아키텍처를 기반으로 3개의 IBM 퀀텀 헤론 프로세서와 이를 지원하는 전자 제어 장치로 가동된다. 

IBM은 ‘2033 양자 기술 개발 계획 로드맵’도 발표했다. 로드맵에 따라 IBM퀀텀 시스템 투에는 앞으로 개발할 차세대 퀀텀 프로세서도 탑재될 예정이다. 또, IBM은 기업용 AI 플랫폼인 ‘왓슨x’(Watsonx)를 통해 양자 코드 프로그래밍에 생성형 AI를 활용하겠다고 밝혔다. 구체적으로 양자 소프트웨어 프로그래밍을 쉽게 해주는 ‘퀴스킷’(Qiskit: Quantum Information Science Toolkit)의 양자 코드 개발을 자동화하기 위해 왓슨x에서 사용하는 생성형 AI를 통합할 예정이라고 IBM은 설명했다. 

기존 슈퍼컴퓨터보다 작업 속도 16억 배 늘린 구글 

구글의 양자 인공지능 연구소(Google’sQuantum AI lab)는 프로그래밍 가능한 초전도 프로세서를 개발해 왔다. 최근 버전인 ‘사이카모어’(Sycamore)는 고신뢰도 양자 로직 게이트로 구성된 54 큐비트 프로세서다. 2019년 구글은 사이카모어가 ‘양자 우월성’을 달성했다고 주장했다. 양자 우월성은 양자 장치가 기존 프로세서를 뛰어넘어 지수적으로 빠르게 문제를 해결할 수 있는 시점을 말한다. 사이카모어는 기존 슈퍼컴퓨터가 거의 1만 년이 걸렸을 작업을 약 200초 만에 시행했다. 사이카모어는 화학 시뮬레이션, 웜홀 시뮬레이션 등에 사용됐다. 또한 구글은 오픈 소스 도구와 새로운 양자 알고리즘을 개발하기 위한 양자 컴퓨팅서비스를 포함한 소프트웨어 스택을 개발했다. 구글은 하드웨어 제어 시스템부터 양자 제어, 물리 모델링 및 양자 오류 수정에 집중하고 있다. 

클라우드로 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하는 마이크로소프트 & 아마존

마이크로소프트는 현재 고유한 접근 방식을 가진 확장 가능한 풀 스택 양자 머신을 자체적으로 개발하는 등 양자 컴퓨팅 하드웨어 개발에 박차를 가하고 있다. 방식은 토폴로지 큐비트(topologicalqubits)다. 마이크로소프트 연구팀은 ‘구스베리’(Gooseberry)라는 제어 칩과 이 접근 방식의 핵심인 크라이오 컴퓨팅(cryocomputing, 극저온 컴퓨팅) 코어를 개발했다. 이 칩과 코어는 함께 양자 스택이 모든 큐비트에 정보를 보내고 받을 수 있도록 차가운 환경을 안정적으로 유지시켜 주는 역할을 한다. 

이 외에도 마이크로소프트는 ‘애저(Azure) 퀀텀’ 서비스의 일환으로 다른 하드웨어 공급업체에 양자 컴퓨팅 플랫폼도 제공한다. 이 서비스는 연구원, 기업 및 개발자가 알고리즘을 조정하고 오늘날의 양자 시스템을 탐색할 수 있는 유연성을 제공하는 오픈 개발 환경이다.

아마존은 2021년 캘리포니아주 패서디나에 AWS 양자 컴퓨팅 센터를 설립하면서 양자 컴퓨터 구축 경쟁에 합류했다. 아마존은 캘리포니아 공과대학과 협력하여 차세대 양자 과학자 육성 및 내결함성(fault-tolerant) 양자 컴퓨터 구축 작업을 지원한다. 

아마존은 개발자가 제3자 파트너의 양자 컴퓨터 및 도구에 액세스할 수 있는 ‘아마존 브래킷(Braket)’이라는 양자 컴퓨팅 서비스를 제공한다. 이 서비스를 통해 고객은 자체 양자 컴퓨팅 연구 속도를 높이고 양자 프로젝트를 구축하며 양자 알고리즘을 실행할 수 있다. 

세계 최초로 양자 컴퓨터 상용화한 디웨이브 시스템 

캐나다에 본사를 둔 디웨이브 시스템(D-Wave Systems, 디 웨이브 퀀텀)은 상업용 양자 컴퓨터를 판매하는 세계 최초의 기업이다. 이 회사의 최신 제품인 ‘D웨이브 어드밴티지 시스템’은 5천 개 이상의 큐비트와 15방향의 큐비트 연결성을 갖춘 프로세서 아키텍처를 갖췄다.

디웨이브의 양자 컴퓨터는 양자 완화(quantum annealing)라고 불리는 프로세스를 사용한다. 이 프로세스는 여러 문제 해결법 중 최상의 솔루션을 찾는 ‘최적화 문제’만을 풀기 위해 특별히 설계됐다. 사용자가 문제를 매핑하면 프로세싱 유닛이 모든 가능성을 동시에 고려하고 최적의 솔루션에 해당하는 계산 결과를 제시한다.

디웨이브는 현재 어드밴티지 시스템의 후속 제품을 개발 중이다. 이 회사는 하드웨어 외에도 클라우드 기반의 전체 스택 시스템을 제공해 기업, 정부기관, 연구소 및 학계에서 양자 응용 프로그램을 구축할 수 있도록 지원한다.

자연 발생하는 이온을 사용하는 아이온큐 

아이온큐(IonQ)의 양자 컴퓨터는 전자기장으로 이온을 잡아두는 이온 트랩 기술을 사용한다. 현재 양자 컴퓨터 상용화를 위해서는 초전도접합, 이온트랩, 양자점, 양자위상상태, 전자스핀 등을 이용한 다양한 큐비트가 제시되고 있다. 실제 대부분의 양자 하드웨어는 합성 양자 시스템을 큐비트에 사용한다. 하지만아이온큐는 프로세서의 핵심에 자연적으로 발생하는 개별 원자 이온을 쓰며, 이 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보하고 있다. 

이온들은 소음 등 방해요소를 제거하기 위해 3차원 공간에 갇혀 있으며, 아이온큐는 레이저를 사용하여 이온을 조작하거나 원자를 충전해 큐비트를 활성화하는 방식으로 정보를 처리한다. 아이온큐는 이온 트랩의 한계를 꾸준히 극복해 가며 현재 여러 양자 시스템 모델을 개발하고 있다. 2020년 11개의 큐비트 시스템인 ‘아이온큐 하모니’(IonQ Harmony)를 내놓았고 이후 2022년 25개의 큐비트 시스템인 ‘아이온큐 아리아’(IonQAria)를 선보였다. 현재 32개의 큐비트 시스템인 ‘아이온큐 포르테’(IonQ Forte)까지 개발을 마친 상태다. 모두 아이온큐의 이온 트랩 기술 아키텍처를 기반으로 한다. 하모니와 아리아는 아이온큐 퀀텀 클라우드 또는 아마존 브래킷을 통해 이용할 수 있다. 즉, 양자 컴퓨터를 설치하지 않아도 인터넷을 통해 양자 컴퓨팅 서비스를 이용할 수 있도록 상용화하는 데 성공한 것이다.

양자 컴퓨팅의 민주화 꿈꾸는 퀀텀 컴퓨팅 

퀀텀 컴퓨팅(QCI)은 양자 컴퓨팅 민주화를 꿈꾸는 회사다. 이 회사의 제품은 대규모 기업을 위한 양자 컴퓨팅 서비스가 아닌 비전문가도 쓸 수 있는 서비스다. 

QCI는 미래의 10년이 아닌 현재 연산을 수행하기 위해 유용한 큐비트를 생성하는 것을 목표로 하는 엔트로피 양자 컴퓨터(EQC)를 구축했다. 고객은 큐빗 기반 구독 서비스인 디락-1(Dirac-1)과 큐디트(qudit) 기반 시스템인 디락-2를 통해 EQC를 사용할 수 있다. 큐디트는 0과 1보다 더 많은 정보 단위를 중첩 시킬 수 있어 큐비트보다 더 많은 정보를 동시에 해결할 수 있다.

QCI는 사용자가 복잡한 프로그래밍 지식 없이 양자 시스템에서 문제를 해결할 수 있도록 하는 클라우드 기반 서비스인 카탈리스트도 제공한다. 사용자가 양자 알고리즘과 연산 실행 방법을 배울 수 있도록 돕는 QUBT 대학교도 있다. QCI는 현재 새로운 양자 컴퓨팅 칩 기능을 개발 중이다. 

양자 컴퓨터와 초전도 양자 프로세서를 구축하는 리게티 컴퓨팅 

리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)은 양자 컴퓨터 및 초전도 양자 프로세서를 구축하는 통합 시스템 회사다. 최근에 개발된 프로세서인 ‘아스펜(Aspen)- M-3’에는 80개의 큐비트가 있으며 2개의 반도체 칩을 적층해 하나의 패키지로 만드는 멀티 칩 기술을 기반으로 한다. 

리게티 컴퓨팅은 ‘안카’(Ankaa)라는 새로운 84 큐비트 프로세서를 개발 중이다. 그리고 이 프로세서 4 개를 결합하여 ‘라이라’(Lyra)라는 336 큐비트 머신을 구성할 계획이다. 로드맵에 따르면 리게티 컴퓨팅은 2025년에 1천 큐비트를 지원할 수 있는 하드웨어를 만들 계획이다. 더 나아가 2027년에는 4천 큐비트를 지원하는 기계를 구축할 예정이다.

고객은 리게티 양자 컴퓨팅 시스템을 리게티 컴퓨팅의 ‘리게티 퀀텀 클라우드 서비스’ 플랫폼이나 아마존의 브래킷에서 접속할 수 있다.