IBM은 자사의 초전도 양자 컴퓨터에 사용되는 극저온 시스템을 위한 새로운 모듈형 아키텍처를 발표했다. 이는 단일 칩 양자 프로세서 확장의 한계를 극복하기 위한 조치다. 이 설계는 서로 나란히 연결할 수 있는 독립적인 냉각 셀을 기반으로 하며, 하나의 프로세서 안에 연산을 가두는 대신 양자 및 기존 연결을 통해 여러 프로세서 사이에서 정보를 전달할 수 있게 한다.
IBM의 양자 컴퓨터는 우주 공간보다 낮은 온도에서 작동하므로, 양자 상태를 계산을 수행하기에 충분한 시간 동안 안정적으로 유지하려면 희석 냉동기(dilution refrigerators)와 특수 열 차단 장치가 필요하다. 회사는 큐비트 수를 늘리려면 더 큰 프로세서뿐만 아니라 여러 프로세서를 수용하고 열적 안정성을 유지하면서 서로 연결할 수 있는 냉각 아키텍처도 필요하다고 본다.
원통형 구조에서 연결 가능한 셀로
현재의 양자 시스템은 일반적으로 진공 단열 원통형 용기 안에 배치된다. 이 방식으로 IBM은 2016년 처음 클라우드를 통해 이용할 수 있었던 5큐비트 양자 컴퓨터에서, 2023년 공개한 1000큐비트 이상의 IBM Quantum Condor 프로세서로 발전할 수 있었다. 그러나 하나의 칩에서 확장하는 데에는 공간, 열 발생, 큐비트 간 원치 않는 간섭과 관련된 한계가 있다.
이에 비해 새로운 셀은 상자 형태이며, 알루미늄 패널과 구조물로 제작된다. 각 셀은 진공 챔버, 냉각 장비, 자체 특수 열 차단 장치를 포함한 완전한 냉각 환경을 갖춘다. 또한 전용 개구부를 통해 양자 케이블을 인접 셀로 통과시킬 수 있다. 셀을 서로 밀착해 배치하면 원통형 용기 사이를 잇는 긴 연결부에 비해 연결 경로를 줄이는 데 도움이 된다.
실제로 무엇이 달라지는가?
열 보호층은 인접한 셀 사이의 열적 상호작용을 제한하도록 설계됐다. IBM에 따르면 새로운 셀을 추가하더라도 냉각 시간과 온도 안정성이 비슷하게 유지될 것으로 예상되며, 이를 통해 계산 성능을 저해하지 않고 시스템을 확장할 수 있다. 또한 새로운 프로세서나 양자 전자 장치를 도입할 때 냉각 아키텍처 전체를 다시 설계하는 대신 셀을 하나씩 업그레이드할 수 있다.
각 셀에서 사용할 수 있는 배선 면적은 약 0.53제곱미터이며, 진공 챔버의 부피는 2.75세제곱미터다. 셀의 부피는 일반적인 주방용 냉장고의 약 3배에 해당한다. 이 공간은 더 큰 프로세서와 더욱 고밀도인 구성을 위한 여지를 제공하며, 저온 환경 내부에 더 많은 연결부와 전자 장치를 수용할 수 있게 한다.
오류 내결함성 양자 시스템을 향한 단계
IBM은 뉴욕주 포킵시 시설에서 연결된 두 개의 냉각 셀을 작동시키는 방식으로 새로운 아키텍처를 실제로 시험했다. 회사는 이 실험이 여러 칩으로 구성된 양자 시스템을 구축하는 데 필요한 접근 방식에 대한 초기 검증이라고 설명한다. 이러한 시스템은 연결된 프로세서들에 작업을 분산하거나 더 높은 성능을 지닌 하나의 통합 시스템으로 작동할 수 있다.
IBM은 이 아키텍처를 IBM Quantum Starling으로 향하는 경로에 포함시키고 있다. IBM은 이를 최초의 오류 내결함성 양자 컴퓨터라고 설명하며, 2029년에 선보일 것으로 예상한다. 또한 향후 단일 셀 버전이 최소 2000큐비트를 지원할 것으로 예상한다. 이러한 시스템을 통해 연구자들은 IBM의 모듈형 양자 아키텍처 구성 요소를 시험할 수 있다. 여기에는 2024년에 처음 공개된 l-couplers가 포함되며, 이는 최대 1미터 거리에서 양자 처리 장치를 연결한다.