큐비트란 무엇일까요? (출처: 마이크로소프트 )양자 컴퓨팅 산업은 아직 초기 단계에 있으며, 5년에서 10년 안에 유용한 성과를 달성할 수 있을 것으로 기대된다는 것이 일반적인 견해입니다. 이번 일요일 아침 메모는 양자 컴퓨팅 시스템의 미래 아키텍처에 대한 브레인스토밍 내용을 담고 있습니다.
계속 읽기 전에, 다음에 나오는 내용은 단지 가능한 미래를 살펴보는 것일 뿐, 앞으로 일어날 일이나 일어나야 할 일에 대한 예측이 아니라는 점을 명심하십시오. 스티브 잡스가 말했듯이,
미래를 내다보면서 점들을 연결할 수는 없습니다. 오직 과거를 돌아보면서만 점들을 연결할 수 있죠. 그러니 미래에 그 점들이 어떻게든 연결될 거라고 믿어야 합니다. 직감, 운명, 삶, 카르마 등 무엇이든 간에, 무언가를 믿어야 한다는 거죠. 이 방법은 저를 실망시킨 적이 없으며, 제 삶을 완전히 바꿔놓았습니다.
백 투 더 퓨처 에볼루션 Link to heading
1970년대의 크고 투박한 메인프레임 컴퓨터들을 떠올리면 오늘날의 컴퓨팅 시스템과 쉽게 비교할 수 있습니다. 예를 들어, 1966년 IBM 360/91과 2025년 G-QuAT에 구축된 Keysight 1000큐비트 시스템을 비교해 보세요.
그렇다면 미래의 양자 컴퓨팅 시스템은 어떤 모습이었으면 좋겠는지 생각해 보는 건 어떨까요? 아래 그림은 제가 생각하는 미래의 양자 컴퓨팅 시스템을 나타낸 것입니다. 이 그림의 핵심은 복잡한 비트 저장 장치와 해당 비트에 접근하는 컨트롤러로 구성된 현재의 메모리 칩과, 오늘날 양자 제어 시스템이 어떻게 구현되는지를 비교하는 것입니다. 논란의 여지가 있을 수 있는 부분은, 큐비트 제어 장치를 처리 장치로 보는 대신 메모리 장치에 비유했다는 점입니다.
바로 이 지점에서 저는 IBM S/360의 메모리에 관한 켄 시리프의 블로그를 우연히 발견했습니다. 블로그와 비디오의 내용은 정말 놀라웠습니다. 메모리 기술이 이렇게까지 발전했을 줄은 상상도 못 했습니다. 특히 펄스를 이용해 코어 메모리를 “구동"하는 방식은 큐비트 “개체"를 제어하고 읽어내는 데 사용되는 기술과 매우 유사해서, 이를 “큐비트 메모리"라고 부르기로 했습니다.
물론, 실리콘 큐비트(또는 유사한 방식)와 제어 전자 장치가 통합된 실리콘 다이를 구현하려면 아직 갈 길이 멉니다. 현재 개발 단계에서는 큐비트가 환경 잡음을 방지하기 위해 극저온에서 작동해야 합니다. 즉, 큐비트는 매우 “민감한” 소자입니다. 게다가 제어 전자 장치 자체도 잡음이 심하고 열을 발생시키기 때문에 큐비트 바로 옆에 두는 것은 적합하지 않습니다.
잡음 문제가 해결되면, 아마도 재료 과학 분야의 획기적인 발전(예: 강유전체 메모리 또는 테라헤르츠 트랜지스터)을 통해 해결될 것이며, 그 후에는 실리콘처럼 첨단 패키징을 적용한 집적 IC 개발로 나아가야 할 것입니다. 광자학. 이것이 어떻게 일어날지, 그리고 언제 일어날지는 저도 잘 모르겠습니다. 하지만 메인프레임의 진화를 되돌아보면, 언젠가는 반드시 일어날 것이라고 확신할 수 있습니다. 그리고 일단 이것이 실현되면, 모든 전자 장비에 양자 컴퓨팅 요소가 탑재되는 시대가 열릴 것입니다.
참고[2025-10-28]: 위 다이어그램에는 큐비트가 실리콘 기반 방식이라는 암묵적인 가정이 있지만, 반드시 그럴 필요는 없습니다. 예를 들어, 광학적으로 주소 지정 가능한 큐비트 방식은 극저온 문제가 아니라 확장성과 소형화 문제가 있습니다. 그리고 이러한 방식에서도 획기적인 발전이 있을 것으로 예상됩니다. 광학적으로 제어되는 자기저항 RAM을 예로 들 수 있습니다.
QRAM을 “양자 소자"로 만드는 요소는 무엇일까요? Link to heading
이 이야기는 핵심 질문에 대한 답 없이는 흥미롭지 않을 것입니다. 양자 RAM이 왜 “양자 소자"로서 주목받는가? 표준 RAM, 즉 정적 RAM(SRAM), 동적 RAM(DRAM), 동기식 동적 RAM(SDRAM)은 모두 매우 기본적인 원리에 따라 작동합니다. 즉, 선형 주소 공간으로 지정된 배열에서 비트를 읽고 쓰는 것입니다.
큐비트도 선형 주소 공간으로 접근할 수 있다고 가정해 봅시다. 이 경우, 단순한 “불리언 비트” 배열보다 이 배열이 더 흥미로운 이유는 무엇일까요? “양자 비트"를 생각할 때 고려해야 할 몇 가지 사항은 다음과 같습니다.
출처: 양자 정보: 그 가능성양자 얽힘: 여러 개의 큐비트는 양자 얽힘 현상을 나타낼 수 있습니다. 얽힌 큐비트는 항상 서로 상관관계를 가지며 하나의 시스템을 형성합니다. 큐비트들이 무한히 멀리 떨어져 있더라도, 한 큐비트의 상태를 측정하면 다른 큐비트의 상태를 직접 측정하지 않고도 알 수 있습니다.
중첩: 중첩은 양자 알고리즘이 간섭 및 얽힘과 같은 다른 양자 역학적 현상을 활용할 수 있도록 합니다. 중첩, 간섭 및 얽힘이 결합되어 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 속도로 문제를 해결할 수 있는 연산 능력을 생성합니다.
양자 역학에서 진정으로 중요한 개념은 바로 얽힘이라는 것이 널리 알려져 있습니다. 중첩은 시스템이 두 개 이상의 알려진 상태에 존재할 수 있음을 표현하는 방식일 뿐이며, 이러한 상태들은 관측되지 않은 상태입니다. 그리고 일단 관측되면 시스템은 하나의 명확한 상태로 “수축"합니다. 중첩 자체에는 특별한 것이 없습니다. 특별한 점은 얽힘을 이용하여 “측정"하지 않고도 “관찰"할 수 있다는 사실이며, 이를 통해 큐비트의 양자적 특성을 유지할 수 있다는 것입니다.
그렇다면 이 QRAM이 “양자 RAM"으로 인정받으려면 “중첩 상태 큐비트"에 어떤 종류의 인터페이스를 제공해야 할까요?
*는 “리셋"을 유사 게이트로 사용하여 각 큐비트를 개별적으로 제어하는 것을 의미합니다.
- 조건부 게이트를 사용하여 다중 큐비트를 제어하는 것을 의미하며, 내부적으로는 얽힘 현상을 이용합니다.
*는 각 큐비트를 단일하고 명확한 상태로 축소 또는 “붕괴"하여 읽어내는 것을 의미합니다.
솔직히 말해서, 이는 지나치게 단순화되고 순진한 관점이며, 제 물리학자 동료들은 이에 대해 강력하게 반대할 것입니다. 또한, 더 나은 추상화를 통해 이를 단순화해야 한다는 점에도 동의합니다. “양자 비트 배열"을 “양자 메모리"라고 부르는 것이 마음에 들지 않지만, “QRAM"이라는 이름은 매우 매력적이며 강력한 은유이기도 합니다.
프로세서 vs 메모리 Link to heading
‘메모리 은유’에 대한 딜레마 중 하나는 양자 제어 시스템을 ‘단순화’하여 메모리의 보조적인 부분으로 만드는 것이 실제로 허용 가능한지 여부입니다. 아니면 GPU(그래픽 처리 장치)처럼 양자 비트를 처리하는 QCU(양자 제어 장치)가 필요하며, 이 경우 게이트 시퀀스 실행에 중점을 두게 됩니다.
양자 메모리 vs 양자 처리](/images/next-scale-level/quantum-memory-vs-quantum-control.webp)
물론, 첫 번째 경우 프로세서가 메모리 어레이 내의 컨트롤러에 불과하므로 동일하다고 말할 수도 있습니다. 하지만 시스템 아키텍처 관점에서 중요한 것은 노출되는 인터페이스를 강조하는 것입니다. 메모리의 경우, 실제 게이트 시퀀서는 CPU/GPU이며, QRAM과의 상호 작용은 게이트(쓰기) 및 읽기(읽기)를 기반으로 합니다. 양자 프로세서의 경우, 시퀀스는 QCU에 있으며 상호 작용은 게이트 시퀀스를 기반으로 합니다. 첫 번째 방식이 작동하려면 CPU/GPU는 다중 큐비트 게이트에 대해 일정 수준의 동기성을 처리해야 합니다.
규모 확장 Link to heading
양자 비트의 여러 과제 중 하나는 규모 문제인데, 이는 양적인 측면과 신뢰성 측면 모두에서 나타납니다. 양적인 측면은 동일한 칩에 더 많은 큐비트를 집적하는 능력을 의미하며, 신뢰성은 더 나은 특성을 가진 큐비트를 생성하는 능력을 의미합니다. 디코히어런스 시간은 의도적으로 언급하지 않았는데, 디코히어런스 시간이 길다고 항상 유리한 것은 아니기 때문입니다. 이 부분은 추후 메모에서 다루도록 하겠습니다.
신뢰성 문제로 돌아가서, 요즘 RAM에는 컨트롤러 내부에 ECC(오류 정정 코드)가 내장되어 있다는 점을 주목할 필요가 있습니다. QRAM 또한 컨트롤러에 QEC(양자 오류 정정) 기능을 내장하면 더욱 신뢰성이 향상될 수 있습니다. 이렇게 되면 “신뢰할 수 있는 양자 메모리"를 구현할 수 있을 것입니다.
양자 메모리 단위의 추상화에서 제가 좋아하는 점은 DNA 시퀀싱 산업의 발전 과정과 쉽게 연결지을 수 있다는 것입니다. 과거에는 DNA 시퀀서가 매우 비쌌는데, 이는 염기서열을 완벽하게 일치시키기 위해 한 번에 하나씩 분석해야 했기 때문입니다. 실제로 인간 게놈 전체를 시퀀싱하는 데 32년이 걸렸습니다. 하지만 차세대 시퀀싱(NGS)이 도입되면서 훨씬 저렴한 가격으로 단 하루 만에 전체 게놈 시퀀싱이 가능해졌습니다. 그 이유는 바로 대규모 병렬 처리 방식 때문입니다. (이미지 출처: IEEE Spectum)
그러므로, QRAM IC를 개발할 수 있게 되면, 신뢰성 확보의 핵심은 현재 QEC가 목표로 하는 것처럼 단일 논리 큐비트 기반 QRAM을 완벽하게 만드는 것이 아니라, 동일한 기능을 수행하는 수천 개의 QRAM을 한 패키징하여 대규모 중복성을 구현하는 데 있을 수 있다는 점을 고려해 볼 수 있을 것입니다.
결론 Link to heading
자, 그럼 5년 후에 이 메모를 다시 확인해서 얼마나 많은 부분이 사실로 드러났는지, 아니면 전혀 사실이 아닌지 살펴보겠습니다!
References Link to heading
- A look at IBM S/360 core memory: In the 1960s, 128 kilobytes weighed 610 pounds
- Ferroelectric Memory Devices: How to store the information of the future?
- You Can Connect the Dots Only by Looking Backward
- Magnonic processors could revolutionise computing
- optical control for magnetoresistive RAM
- Helicity-dependent optical control of the magnetization state emerging from the Landau-Lifshitz-Gilbert equation
DrawIO diagrams used in this memo:
