출처: 다수의 큐비트를 제어하기 위한 극저온 인터페이스( arXiv:1912.01299 )
큐비트에는 여러 종류가 있는데, 그중에서도 초전도 큐비트는 유망한 기술 중 하나입니다.
초전도 큐비트 방식의 과제는 환경 잡음에 매우 민감하고 다른 방식보다 수명이 짧다는 점입니다. 또한, 초전도 큐비트는 극저온에서 작동해야 하므로 특수 냉각 시스템이 필수적입니다.
극저온 시스템의 목적은 절대 영도에 가까운 온도(< 0.1 K)에 도달하여 열 에너지로 인한 간섭을 최소화하는 것입니다. 큐비트는 매우 민감한 소자이므로 간섭이 적을수록 좋습니다.
극저온 양자 QPU Link to heading
극저온 환경과 관련하여 고려해야 할 몇 가지 측면이 있습니다. 첫째, QPU를 냉장고에 배치하고 제어 스택은 상온에서 작동하도록 하는 것입니다. 이는 현재 Bluefors의 솔루션을 통해 가능하지만, 상호 연결 단계에서 소위 “배선 병목 현상"이 발생합니다.
다행히 업계에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 매우 적극적으로 나서고 있으며, 다양한 고밀도 배선 솔루션이 출시되어 있고, 심지어 냉장고에 통합된 솔루션도 있습니다(오른쪽 그림 참조).
극저온 디지털-아날로그 변환기(DAC) Link to heading
두 번째 측면은 제어 스택을 훨씬 낮은 온도에서 작동시키는 것입니다. 낮은 온도에서 작동할 때 흥미로운 점은 큐비트 간섭을 방지하기 위해 노이즈 수준을 최소화해야 한다는 것입니다. 따라서 극저온 CMOS는 대규모 양자 컴퓨터 및 배선 병목 현상으로 제약을 받는 기타 응용 분야를 위한 핵심 기술로 부상하고 있습니다.
TU Deflt의 아래 다이어그램에서 민감한 아날로그 신호는 파란색으로 표시되어 있으며, 보다 안정적인 디지털 신호와 전원/바이어스 신호는 각각 검은색과 빨간색으로 표시되어 있습니다. 주요 목표는 파란색으로 표시된 신호를 최소화하는 것입니다.
극저온 제어 아식스 Link to heading
극저온 ASIC 개발에 따르는 여러 가지 어려움 중 하나는 전력 소모 및 열 예산을 포함한 CMOS 기술의 극저온 환경에서의 물리적 동작을 낮게 유지해야 한다는 점입니다. 따라서 세 번째 과제는 극저온 환경에서 작동하는 ASIC을 완벽하게 제어하는 것입니다.
예를 들어, 아래 다이어그램에서 FPGA는 현재 4K(-269.15°C)에 위치해 있는데, FPGA의 발열량을 고려하면 DAC만 4K에 위치시키는 경우(이 또한 상당한 어려움이지만)와 비교했을 때 훨씬 더 큰 어려움이 됩니다.
(출처: 양자 프로세서 판독을 위한 극저온 전자 장치)
사례 연구: 구글: 양자 프로세서의 극저온 제어를 향한 여정 Link to heading
구글의 논문과 영상은 꽤 오래된 자료(2019년)이지만, 매우 관련성 높은 정보가 가득합니다.
현재 “단일 큐비트” 제어 및 측정 하드웨어의 문제점은 온도 단계별 분포(예: 300K 또는 약 25°C에서 판독)에 맞춰 시스템을 확장할 때 케이블 병목 현상입니다. 오른쪽 그림은 시스템을 72큐비트 시스템으로 확장할 때 필요한 케이블 수와 큐비트당 “구성 요소”(여기서 구성 요소는 DAC, ADC, AWG 등을 의미함)의 근사치를 보여줍니다.
다음 두 슬라이드는 구글 팀이 제안한 “극저온 처리” 분할 방식을 보여주는데, 이는 예상대로 4K로 제어권을 옮기겠다는 기존 구상과 일맥상통합니다. 흥미로운 점은 구글의 경우 디지털 영역이 4K와 300K 두 가지 해상도로 운영되는 두 부분으로 나뉜다는 것입니다.
디지털 제어의 4K 부분에 대한 세부 사항을 살펴보면서 Google은 AWG(왼쪽 그림 참조)에 대해 매우 간단하면서도 영리한 접근 방식을 고안해냈습니다. 300K 제어 영역과의 상호 연결은 AWG 샘플을 저장하는 메모리 형태로 구현되었습니다.
위 제안에서 마음에 드는 점은 연산 로직, 즉 고전 연산(CC)의 메모리 용량이 300KB로 유지되고, 연산 로직과 실시간 신호 생성 간의 인터페이스가 메모리를 사용하여 구현된다는 것입니다. 이 메모리는 용량이 작아야 하므로 CC와 AWG 간의 긴밀한 연동이 필수적입니다. 하지만 아쉽게도 이 인터페이스에 대한 공개 정보는 매우 제한적입니다.
결론 Link to heading
의심할 여지 없이, 업계는 5~10년 내에 전압 조정기, 클록 생성 장치, 그리고 초저온에서 작동하는 재구성 가능한 디지털 코어를 포함하는 완전한 디지털 프런트엔드를 갖춘 극저온 ASI를 생산할 수 있을 것입니다. 이는 “케이블 병목 현상"을 극복하는 데 도움이 될 것입니다.
반면, 상온에서 작동 가능한 광학적으로 주소 지정 가능한 큐비트와 같은 다른 방식들은 획기적인 발전을 통해 실리콘 큐비트와 동등한 수준에 도달할 수 있을 것으로 예상됩니다.
어느 쪽이든, 이 문제는 10년 안에 극복될 것이라고 예상할 수 있다.
자, 이 일요일 아침 메모는 세부적인 내용을 다루지는 않았지만, 극저온에서 양자 개체(큐비트)를 작동시키는 이유, 어려움 및 해결책을 이해하는 데 필요한 기초를 마련했습니다.
참고 자료 및 추가 읽을거리 Link to heading
채팅 GPT에서 컴퓨터와 기계의 차이점에 대한 역방향 프롬프트가 나타납니다.
(프롬프트: ‘극저온 양자 컴퓨터’의 만화 이미지를 그려보세요’ vs ‘극저온 양자 기계’의 만화 이미지를 그려보세요’)