IBM 양자 기술

IBM® 양자 컴퓨터 함대는 모두 최소 127큐빗을 갖춘 세계 최대 규모입니다. 이러한 양자 컴퓨터는 초전도 트랜몬 큐빗을 사용하며, 이는 유일한 종류의 큐빗은 아니지만 많은 이점이 있습니다. IBM의 세계 최고 수준의 양자 컴퓨터와 Qiskit을 결합하면 사용자들이 오늘날 양자 컴퓨팅이 어떻게 유용할 수 있는지 탐색할 수 있습니다. 산업 파트너와 연구자들은 IBM 양자® 기술을 사용하여 의미 있는 계산과 실질적인 애플리케이션을 탐색하고 있습니다. IBM 양자가 파트너에게 제공하는 광범위한 프로그램과 서비스를 살펴봅시다.

IBM 양자 네트워크의 회원 기관에 속해 있다면, 기관의 양자 컴퓨팅 그룹에 연락하여 접근할 수 있는 이점을 확인하세요.

학습 목표

이 모듈을 마친 후에는 다음을 할 수 있어야 합니다:

• 의미 있는 문제를 해결하기 위해서는 양자 및 고전 리소스의 조합이 필요함을 인식합니다.
• 의미 있는 문제를 해결하기 위해 사용 가능한 하드웨어, 소프트웨어 및 서비스를 식별합니다.
• 규모, 품질, 속도를 포함한 양자 컴퓨팅 성능 측정 방법을 설명합니다.

IBM 양자 플랫폼

IBM 양자 플랫폼은 사용자가 훌륭한 작업을 하기 위해 필요한 모든 연구 및 개발 리소스를 한 곳에 모아주는 양자 컴퓨팅 도구 모음을 제공합니다. 사용자는 계정을 만들고 로그인하여 IBM 양자 컴퓨터에 액세스하고, 컴퓨터 세부 정보를 보고, 워크로드를 추적하고, 설명서 및 학습에서 활성화 자료에 액세스할 수 있습니다.

• 홈페이지는 제품 생태계의 주요 시작점으로, 사용자가 API 키를 얻고, 인스턴스 및 사용 정보 요약을 보고, 최근 작업 세부 정보를 보고, 플랫폼 전체의 다른 위치에 대한 도움말 링크에 액세스할 수 있습니다.
• 설명서는 Qiskit 설명서, 서비스 설명서 및 API 참고 정보를 한 위치에 통합하여 사용자의 자연스러운 워크플로우를 지원하는 방식으로 정렬합니다.
• 학습은 과정 및 교육 모듈을 포함한 교육 자료의 홈입니다(곧 출시될 대화형 Circuit Composer 포함). 이 그래픽 및 코드 편집기의 조합을 통해 사용자는 회로를 시각적으로 프로토타입하고, 시뮬레이션하고, 디버깅한 다음 IBM 양자 컴퓨터에서 실행할 수 있습니다.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime은 양자 프로세서와 밀접하게 통합된 고전 컴퓨팅 장치에서 양자 프로그램을 실행하는 이식 가능하고 안전한 컨테이너화된 아키텍처입니다. Qiskit Runtime을 통해 양자 컴퓨터는 그래픽 처리 장치(GPU)와 유사하게 모든 컴퓨팅 환경의 일부가 되어 계산을 가속화할 수 있으며, 작업 오케스트레이션 및 양자 처리 장치로의 데이터 전송을 처리하여 효율성을 극대화합니다.

Qiskit과 Qiskit Runtime을 통해 클라우드의 컴퓨팅 리소스 전체에서 프로그램을 빠르게 오케스트레이션할 수 있습니다. IBM은 병렬화된 클라우드 기반의 양자 및 고전 계산 리소스에서 실행되는 양자 애플리케이션의 성능을 극대화하기 위해 양자 미들웨어를 구축합니다. 이 미들웨어에는 회로 자르기 도구함과 양자 서버리스 아키텍처가 포함됩니다.

회로 자르기 Qiskit 추가 기능을 통해 개발자는 현재의 양자 컴퓨터에 적합한 더 작은 회로로 큰 회로를 자를 수 있습니다. 회로 자르기는 고전 계산을 사용하여 양자 회로의 계산 부담의 일부를 담당하여 어느 하나로만 달성할 수 있는 것을 초과할 수 있습니다. 추가 도구는 고전 리소스로 회로를 재구성하고 최종 결과를 함께 연결하는 데 도움이 됩니다.

양자 서버리스는 탄력적인 고전 리소스를 IBM Qiskit Runtime 서비스와 연결하는 다중 클라우드 오케스트레이션 도구입니다. 양자 서버리스를 통해 개발자는 리소스 프로비저닝보다는 코드에 집중할 수 있습니다.

IBM 초전도 양자 컴퓨터

IBM 양자 프로세서는 초전도 트랜몬 큐빗이라고 하는 물리적 종류의 큐빗을 사용하며, 이는 규소 기판 위에 패턴화된 초전도 재료로 만들어집니다. 다른 양자 프로세서는 빛의 단일 광자로 만들어진 광자 큐빗이나 하전된 원자 입자에 정보를 저장하는 포획된 이온 큐빗을 사용할 수 있습니다. 전류의 흐름을 촉진하기 위해 초전도 큐빗은 절대 영도에 가까운 극저온에서 유지되어야 합니다.

IBM 127-큐빗 프로세서

양자 컴퓨팅 성능

양자 컴퓨팅 성능 측정

보편적인 오류 내성 양자 컴퓨터는 양자 컴퓨팅의 큰 과제입니다. 이는 신뢰할 수 없는 구성 요소를 사용하여 보편적인 양자 연산을 적절하게 수행할 수 있는 장치입니다. 오늘날의 양자 컴퓨터는 오류에 대한 허용도가 없습니다.

양자 컴퓨터를 서로 비교하려면 큐빗 개수만으로는 충분하지 않습니다. 오류율과 시스템이 어떻게 배선되어 있는지와 같은 다른 많은 세부 정보를 고려해야 합니다. 양자 컴퓨팅 성능을 측정하기 위한 4가지 주요 메트릭이 있습니다:

• 규모 - 큐빗 수로 측정되며, 양자 컴퓨터에 인코딩할 수 있는 정보의 양을 나타냅니다.
• 품질 - 양자 볼륨으로 측정되며, 회로의 품질과 회로가 하드웨어에서 얼마나 충실하게 구현되는지를 나타냅니다.
• 속도 - **CLOPS(초당 회로 계층 연산 수)**로 측정되며, 주어진 시간에 하드웨어에서 실행할 수 있는 회로의 수를 나타냅니다.
• 계층 충실도 - **EPLG(계층화된 게이트당 오류 수)**로 측정되며, 큐빗에서 연산을 수행할 때 오류가 발생하는 방식을 설명합니다.

위의 메트릭 중 일부에 대한 더 자세한 설명은 IBM 연구 블로그의 이 기사를 참조하세요. 산업에서 양자 컴퓨팅 도입의 각 단계는 회로 폭, 큐빗 연결도, 오류율과 같은 다양한 매개변수를 사용하여 계산되는 양자 볼륨의 증가로 주도됩니다.

양자 볼륨의 기술적 정의는 방정식 없이 전달하기 어렵습니다. IBM 연구 책임자인 Dario Gil이 설명합니다:

양자 볼륨을 더 잘 이해하기 위해 다음의 흥미로운 유추를 고려해봅시다. 아래 섹션에서는 뉴욕시 투어 관점에서 시간, 공간 및 오류율을 다룹니다.

양자 볼륨 상태의 투어

양자 볼륨은 양자 컴퓨터가 탐색할 수 있는 가장 큰 양자 계산 공간을 설명하며, 양자 공간의 볼륨은 2^N이고 N은 큐빗 수(일반적인 상태 공간 차원)입니다. 우리는 의도적으로 여기서 "공간"이라는 단어를 사용합니다. 왜냐하면 우리가 공간을 언급하면 볼륨을 생각하기가 간단하기 때문입니다.

이 탐색을 제한하는 요소는 오류율입니다. 오류율은 공간을 탐색할 수 있는 시간의 양과 같을 수 있습니다. 더 많은 오류는 더 적은 시간을 의미합니다. 우리가 가진 계산 공간이 많을수록 공간을 완전히 탐색하는 데 걸리는 시간이 더 길어지므로 더 작은 오류율을 가진 양자 컴퓨터가 필요합니다.

뉴욕시를 탐색하는 관광객을 생각해봅시다. 관광객은 도시 전체를 탐색하고 싶어하므로, 관광객은 뉴욕시 규모의 관광객 볼륨을 원합니다. 관광객에게 하루만 주면, 그렇게 큰 공간을 탐색할 방법이 없으므로 관광객은 원하는 관광객 볼륨을 얻지 못합니다. 그러나 관광객에게 3일을 주면, 관광객은 모든 주요 장소를 방문할 수 있고 뉴욕시의 필요한 관광객 볼륨을 얻을 수 있습니다.

그런데, 관광객에게 더 많은 시간을 주지만 여전히 공간을 뉴욕시로 제한한다면 어떻게 될까요? 다시 말해, 큐빗 수는 같지만 오류율을 줄인다면 어떻게 될까요? 관광객이 이미 도시를 탐색했고 같은 장소만 계속 방문하고 있기 때문에 관광객에게는 이점이 없습니다. 관광객 볼륨은 같습니다. 대신, 더 많은 시간이 주어지면 관광객은 방문할 관광 명소의 수를 늘리는 것이 더 현명합니다.

또는, 시간을 3일로 고정했지만 관광객이 뉴욕시와 롱아일랜드를 모두 탐색하려고 시도하기로 결정했다면 어떻게 될까요? 다시 말해, 오류율은 고정했지만 더 많은 큐빗을 추가한다면 어떻게 될까요? 다시, 관광객이 할당된 시간 내에 더 큰 공간을 탐색할 수 없기 때문에 관광객 볼륨은 뉴욕시에 머물러 있습니다. 따라서 더 나은 관광객이 되고 더 큰 관광객 볼륨을 달성하려면 투어 공간과 관광객이 탐색할 수 있는 시간을 동시에 증가시켜야 합니다.

정확히 같은 방식으로, 더 큰 양자 볼륨을 달성하는 더 나은 양자 컴퓨터를 구축하려면 양자 계산 공간(큐빗 수)을 동시에 증가시키면서 오류율(알고리즘이 실행될 수 있는 시간을 증가시킴)을 감소시켜야 합니다. 예를 들어, 조정 가능한 결합 아키텍처의 진전을 통해 IBM은 단 1년 만에 양자 볼륨을 2배로 늘렸습니다!

그러나 양자 컴퓨팅이 진화함에 따라, 우리는 양자 컴퓨터가 합리적인 시간 내에 수행할 수 있는 유용한 작업에 더 많은 관심을 갖게 됩니다. 규모를 큐빗 수로 측정하고 품질을 양자 볼륨으로 측정한다면, 양자 처리 속도는 합리적인 시간 내에 이러한 큐빗이 수행할 수 있는 유용한 작업의 측정입니다. 우리는 이를 초당 처리할 수 있는 기본 회로의 수로 정의합니다. 이는 고전 컴퓨팅의 FLOPS(초당 부동소수점 연산 수)와 유사합니다. QPU 속도를 개선하는 것은 실용적인 양자 컴퓨팅의 핵심입니다. 고전 컴퓨터 프로그래밍과 마찬가지로 양자 프로그래밍은 많은 회로를 실행해야 합니다. 합리적인 QPU 속도를 통해 사용자는 양자 컴퓨팅을 자신의 워크플로우의 일부로 통합할 수 있습니다.

이해도 확인하기

아래의 질문을 읽고, 답을 생각한 다음, 삼각형을 클릭하여 해결책을 공개하세요.

참 또는 거짓: 양자 볼륨은 IBM 양자 컴퓨터를 수용하는 극저온 냉동고의 크기를 의미합니다.

거짓입니다. 양자 볼륨은 오늘날 양자 컴퓨터의 성능을 요약하기 위한 단일 숫자입니다.

양자 컴퓨팅의 다음 단계

오늘날의 양자 컴퓨터와 가까운 미래에 예상되는 양자 컴퓨터는 노이즈가 있습니다. 이는 결과의 충실도에 영향을 미칠 수 있는 환경 교란에 민감함을 의미합니다. 고전 컴퓨팅이 프로세서의 모듈식 스케일링, 효율적인 계산 및 병렬화를 통해 진화한 것과 같은 방식으로, 우리는 양자 컴퓨팅이 그 잠재력을 완전히 실현하기 위해 진화하는 것을 봅니다. 우리가 완전히 오류 내성이 있는 양자 컴퓨터를 향해 나아가면서, 우리는 오늘날 보유한 하드웨어와 소프트웨어로 유용한 문제를 해결하고 싶습니다.

양자 유틸리티

IBM 양자와 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스는 IBM 양자 하드웨어의 진전과 오류 완화 방법 덕분에 양자 컴퓨터가 예상보다 더 빨리 가치를 제공할 수 있다는 증거를 제시했습니다. 개념 증명 이상으로, 우리는 유용할 만큼 정확한 결과를 제공했습니다. 이 작업으로 탐색한 계산 모델은 근기 양자 컴퓨터용으로 설계된 많은 알고리즘의 핵심 측면입니다.

양자와 고전 간의 피드백 루프는 양자 기술의 발전에 핵심적입니다. 양자 유틸리티에 초점을 맞추어, 우리는 양자를 사용하여 기존의 고성능 계산 프레임워크에 도전하는 복잡한 문제를 조사한 다음 결과를 고전적으로 확인합니다. 양자가 복잡한 회로를 실행하고 고전 컴퓨터가 양자 결과를 검증하는 이러한 지속적인 왕복은 두 계산 영역을 모두 개선하고 근기 양자 컴퓨터의 능력에 대한 사용자 신뢰를 제공할 것입니다.

선택 사항 읽기 — 삼각형을 클릭하여 실험에 대해 더 읽으세요

• 이 실험에서 우리는 IBM 양자 Eagle 프로세서의 모든 127개의 큐빗을 사용하여 양자 컴퓨터에 자연스럽게 매핑되는 시스템의 변화하는 동작을 시뮬레이션했습니다. 이를 양자 Ising 모델이라고 합니다. Ising 모델은 자연의 단순화이며 상호작용 원자를 에너지 필드의 상호작용하는 양자 이진 선택 시스템의 격자로 나타냅니다. 이러한 시스템은 우리의 양자 컴퓨터를 구성하는 이진 상태 큐빗과 매우 유사하여 우리의 방법의 능력을 테스트하기에 좋습니다. 우리는 ZNE를 사용하여 기대값이라고 하는 시스템의 속성(본질적으로 회로의 가능한 결과의 가중 평균)을 정확하게 계산하려고 했습니다.

• 동시에 Berkeley 팀은 Lawrence Berkeley National Lab의 National Energy Research Scientific Computing Center(NERSC)와 Purdue University에 위치한 고급 슈퍼컴퓨터의 도움으로 텐서 네트워크 방법을 사용하여 동일한 시스템을 시뮬레이션하려고 시도했습니다.

• 양자 방법은 정확한 방법과 계속 일치했습니다. 그러나 결국 고전적 근사 방법은 어려움이 증가함에 따라 흔들리기 시작했습니다.

• 마지막으로, 우리는 정확하게 계산할 수 있는 것을 초과하는 계산을 실행하도록 두 컴퓨터에 요청했습니다. 양자 컴퓨터는 우리가 더 신뢰할 수 있는 정답을 반환했습니다. 그리고 우리는 그 답이 실제로 정확한지 증명할 수 없지만, Eagle의 이전 실험 실행에서의 성공은 그들이 정확했다는 확신을 우리에게 주었습니다.

오류 정정

오류 정정은 수십 년 동안 핵심 연구 영역이었습니다. 그러나 그 시간의 대부분 동안, 이론적 오류 정정 기법은 실제 양자 컴퓨터에 구현하기 비실용적이었습니다. 대부분의 경우 필요한 큐빗 수가 매우 많기 때문입니다. 실제로 많은 전문가들은 실용적인 오류 내성 양자 컴퓨팅(FTQC)이 수백만 개의 물리적 큐빗이 필요할 것으로 예상합니다. 그러나 Nature의 표지에 게재된 최근 논문에서 IBM의 연구자들은 Gross 코드라고 부르는 새로운 코드를 소개했으며, 이는 그 제한을 극복합니다.

High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory 논문은 섬세한 양자 데이터를 오류 축적으로부터 보호하는 데 있어 이전 방법보다 약 10배 더 효율적인 새로운 양자 오류 정정 코드를 설명합니다. 오류 정정이 얼마나 더 가까워졌는지를 고려하기 위해, Gross 코드를 사용하면 288개의 큐빗을 사용하여 약 백만 개의 오류 검사 사이클에 대해 12개의 논리적 큐빗을 보호할 수 있습니다.

오류 정정이 갑자기 오류 완화 및 오류 억제를 대체할 것으로 예상되지 않습니다. 대신, 다음 몇 년 동안 오류 완화 및 억제는 증가하는 수의 오류 정정된 큐빗과 함께 핵심 역할을 계속 할 것입니다.

IBM 양자 개발 로드맵

우리는 이제 확실히 양자 유틸리티 시대에 있습니다. 이는 양자 컴퓨터가 양자 컴퓨팅에서 고전 컴퓨터보다 더 뛰어나며, 사용자가 새로운 알고리즘을 발견하고 양자 이점을 검색하는 데 활용할 수 있음을 의미합니다. 우리의 로드맵은 우리의 역사적 이정표와 2026년까지 근기 양자 이점을 달성하기 위한 계획을 설명합니다.

2029년까지, 우리는 Starling을 전달할 것입니다. 이는 200개의 논리적 큐빗에 대해 1억 개의 양자 게이트로 구성된 양자 회로를 실행할 수 있는 대규모 오류 내성 양자 컴퓨터입니다. 우리는 현재 뉴욕주 Poughkeepsie의 우리의 역사적 시설에서 이 시스템을 구축하고 있습니다. Guided Roadmap PDF에서 우리의 진행 상황에 대해 자세히 알아보세요.

IBM 양자 개발 로드맵에 대해 여기에서 더 읽어보세요.

5k 챌린지

IBM은 양자 컴퓨팅의 이점을 받을 수 있는 잠재적 사용 사례를 찾기 위해 양자 연구 커뮤니티와 함께 일합니다. 우리는 사용자가 양자로 긴급한 문제를 탐색할 수 있도록 점점 더 강력한 도구를 제공합니다. 2024년에, 우리는 긴 고품질 회로의 편향되지 않은 관측값을 계산할 수 있는 도구를 출시했습니다. 100개 이상의 큐빗과 깊은 회로의 이 조합으로 할 수 있는 일을 찾는 것은 한때 "100x100 챌린지"라고 불렸습니다. 그러나 정확한 큐빗 수와 각각의 깊이는 조합의 힘을 활용하는 것보다 덜 중요합니다. 단일 계산에서 5,000개의 양자 회로를 가지고 어떤 것이 가능한지 상상해보세요. 사용자는 오늘날의 최고 고전 컴퓨터의 능력을 초과하는 복잡성과 실행 시간을 가진 양자 회로를 실행할 수 있습니다. 우리는 양자 커뮤니티가 양자의 힘을 활용하고 중요한 문제를 해결하도록 돕기 위해 구축할 것을 기대하고 있습니다.

양자 중심 슈퍼컴퓨터

단일 칩 프로세서를 넘어서는 것은 규모의 문제를 해결하는 핵심입니다. 2024년에, 우리는 여러 칩으로 만들어진 첫 번째 단일 프로세서인 Crossbill을 소개했습니다. 이들은 새로운 스케일링 시대를 시작하는 첫 번째 단계이며, 양자 중심 슈퍼컴퓨팅을 통해 100,000개의 큐빗 이상으로 확장하기 위한 명확한 경로를 제공합니다. 이것은 스케일링을 가능하게 하는 모듈식 컴퓨팅 아키텍처입니다. 양자 통신 및 계산을 결합하여 계산 용량을 증가시키면서 하이브리드 클라우드 미들웨어를 사용하여 양자 및 고전 워크플로우를 원활하게 통합합니다.

세계의 가장 복잡한 문제를 해결하려면 고전 및 양자 리소스의 조합이 필요합니다. 또한, 업계와 학계 간의 지속적인 협력에 달려 있습니다.

주요 요점

이러한 주요 요점을 염두에 두고 있을 수 있습니다:

• 오늘날의 양자 컴퓨터는 오류 내성이 없습니다.
• 양자 볼륨은 양자 컴퓨터가 얼마나 좋은지를 나타내는 전체적인 측정입니다. 양자 볼륨이 높을수록 좋습니다. 큐빗 수만 이야기하는 것은 오해의 소지가 있습니다.
• 양자 컴퓨터의 성능을 측정하기 위해서는 규모, 품질, 속도 및 계층 충실도의 4가지 핵심 메트릭이 있습니다.
• IBM 양자-UC Berkeley 공동 실험은 IBM 양자 컴퓨터가 127개 큐빗 규모에서 도전적인 시뮬레이션 문제에 대한 안정적이고 정확한 결과를 제공한다는 증거를 제시했습니다.
• 양자 중심 슈퍼컴퓨팅은 양자를 더 넓은 HPC 패러다임의 한 부분으로 취급하며, 고전 및 양자가 하나의 계산 단위로 작동함을 의미합니다.