베티나 하임(Bettina Heim)은 18년 동안 피겨 스케이팅 선수 생활을 하면서 속도와 우아함을 갖춘 러츠(lutz) 착지법을 배웠습니다. 이제 그녀는 양자 컴퓨팅 분야로 박사 학위를 받고 마이크로소프트 애저 퀀텀(Azure Quantum)이 최첨단 클라우드 서비스에서 자리 매김하도록 돕는 일을 하죠.
마이크로소프트(Microsoft)의 소프트웨어 엔지니어링 책임자인 하임은 “저는 항상 흥미로운 문제에 끌렸고 목표 달성을 위해 열심히 일했습니다. 그래서 양자 컴퓨팅에 끌렸습니다. 이 분야는 오늘날의 고전 시스템을 넘어 완전히 새로운 도구를 만들어 사회에 이익이 되는 엄청난 잠재력이 있습니다”라고 말했습니다.
작년 겨울, 애저 퀀텀(Azure Quantum)은 퀀티넘(Quantinuum), 퀀텀 서키트(Quantum Circuits Inc.), 리지티 컴퓨팅(Rigety Computing), 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Lab)와 협력해 클라우드 사용자에게 제공하는 기능에 관련한 큰 문제를 해결하는 데 고전적인 양자 시스템들이 협력하는 방법을 시연했습니다.
이를 위해 애저 퀀텀은 미래의 하이브리드 시스템에서 GPU와 양자 프로세서를 연결할 개방형 범용 프로그래밍 환경인 NVIDIA QODA와 같은 툴을 이용하고 있죠.
스위스 국적자로 지금은 미국 시애틀에 거주하고 있는 베티나 하임은 “QODA는 매우 상이한 시스템을 개발자 도구와 강력하게 통합시키는, 다음 단계로 나아가는 데 도움을 줍니다”라고 전했습니다.
퀀텀의 소프트웨어 기반
양자 컴퓨터의 소프트웨어 기반 구축은 하임이 맡고 있는 QIR 얼라이언스(QIR Alliance)가 중점적으로 다루는 작업입니다.
QIR 얼라이언스는 양자 프로그래밍 언어와 대상 양자 컴퓨터 간에 공통 인터페이스에 대한 작업을 감독하죠. QIR을 통해 개발자는 QODA와 같은 도구를 사용해 하이브리드 양자 컴퓨터에서 실행되는 앱을 구축해 과학적 발견을 가속화할 수 있습니다.
이것은 개발자가 각 시스템의 세부 사항을 직접 다루는 어셈블러 프로그램과 동등한 프로그램을 작성하는 것이 흔하게 일어나는 분야로서는 엄청나게 도약을 이룬 셈입니다.
하임은 “양자 시스템에 대한 깊은 지식이 필요하지 않은 툴을 갖추는 게 중요하기 때문에 NVIDIA와 같은 기업과 협력해 다양한 분야의 개발자들을 참여시키고 영감을 주고 있습니다”라고 말했습니다.
하임은 GPU 가속 시스템에서 양자 회로 시뮬레이션을 실행하는 소프트웨어 라이브러리인 NVIDIA cuQuantum을 언급하면서 “QODA와 cuQuantum은 양자 개발을 위해 고전적인 HPC 리소스를 활용하면서 이 분야를 크게 개선했습니다”라고 덧붙였습니다.
확대되는 양자 생태계
마이크로소프트와 협력해 QIR 생태계를 확장하고 NVIDIA의 툴셋을 애저 퀀텀과 통합한 것도 확대되어가는 양자 생태계 중 하나인데요. 수십 개의 기업이 오늘날의 고전 컴퓨터에 대한 양자 연구를 가속화하기 위해 cuQuantum을 채택하고 있으며, 미래의 하이브리드 고전 양자 시스템을 프로그래밍하기 위해 QODA를 채택하고 있죠.
예를 들어, 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)은 개발자가 QODA를 사용해 초전도 양자 컴퓨터를 프로그래밍록 하도록 도울 계획입니다. 또한 소프트웨어 전문기업 클래시큐(Classiq)는 양자 알고리즘의 성능을 최적화하기 위해 QODA를 사용할 예정입니다.
그 양사는 지난 7월 QODA를 활용한 협업을 발표한 양자 하드웨어 업체 IQM 퀀텀 컴퓨터스(IQM Quantum Computers), 파스칼(Pasqal), 퀀티넘(Quantinuum), 퀀텀 브릴리언스(Quantum Brilliance), 제너두(Xanadu)와 협력합니다. 양사는 모든 하이브리드 양자 고전 시스템을 활용하는 통합 플랫폼으로서의 QODA의 역할을 강화하는 광범위한 큐비트(qubit) 기술을 지원하고 있죠.
또한 QODA는 소프트웨어 공급업체인 QC웨어(QC Ware)와 자파타 컴퓨팅(Zapata Computing) 그리고 4개의 슈퍼컴퓨팅 센터로부터 지원을 받고 있는데요. 이 4개의 슈퍼컴퓨팅 센터는 독일 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich), 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory), 오크리지 국립 연구소, 일본의 리켄(RIKEN)입니다.
cuQuantum을 이용한 산업 연구 확대
한편, cuQuantum에 대해 양자 회로 시뮬레이션의 적용이 확대되고 있습니다.
작년 BMW그룹은 논문에서 양자컴퓨팅에 대한 자동차 사용 사례가 40건 이상이었음을 확인했습니다. 올해는 양자 적용 벤치마크 작업의 일환으로 cuQuantum의 cuStateVec 라이브러리를 사용했습니다.
BMW는 아마존 웹 서비스(AWS)와 협력해 양자 시스템이 이 분야의 가장 어려운 최적화, 인공지능(AI), 재료 과학 문제를 해결할 수 있는 방법을 보여주기 위해 글로벌 도전 경연 행사를 주최했는데요. 이는 70개의 팀을 끌어 모으면서 이 기술에 대한 관심이 크다는 걸 보여줍니다.
일본 후지필름 정보학 연구소(Fujifilm Informatics Research Laboratory)는 cuQuantum을 활용해 스타트업 블루콰트(Blueqat)와 함께 양자회로를 구축하고 있습니다. 이번 협업은 대규모 양자 회로 시뮬레이션을 만들어 후지필름 R&D를 가속하는 것을 목표로 합니다.
cuQuantum을 사용해 개발하면 단일 NVIDIA A100 Tensor Core GPU에서 수백 개의 큐비트와 슈퍼컴퓨팅 클러스터에서 수천 개의 큐비트의 정확한 시뮬레이션을 만들 수 있습니다.
클라우드에서 확장되는 양자
오라클 클라우드(Oracle Cloud) 서비스를 이용하면 GPU에서 양자 회로 시뮬레이션을 만들 수 있습니다. 오라클 클라우드 마켓플레이스(Oracle Cloud Marketplace)에서 cuQuantum 작업을 실행하고 다중 노드 기능을 제공하는 데 필요한 모든 구성 요소가 포함된 컨테이너인 DGX cuQuantum Appliance를 사용할 수 있게 됐죠.
마찬가지로, AWS는 브라켓(Braket) 서비스에서 cuQuantum을 이용 가능하다고 발표했습니다. 또한 cuQuantum로 양자 머신 러닝 워크로드에서 최대 900배 빠른 속도를 제공하는 것을 브라켓에서 시연해 보였죠.
컨설팅 기업들도 NVIDIA 소프트웨어로 가속화된 양자 컴퓨팅의 잠재력을 보여주고 있습니다.
AI를 부상시키는 양자 컴퓨팅
딜로이트(Deloitte)는 cuQuantum과 QODA를 사용해 자연어 처리를 고객 서비스에서 새로운 차원으로 끌어올릴 계획입니다. 시스템이 문장을 완전히 해석 가능하도록 고차원적인 데이터 세트를 사용할 것입니다.
이 밖에 다른 프로젝트에서 딜로이트는 cuQuantum이 약물 발견을 가속화하고 구조화된 의료 데이터에서 복잡한 최적화 문제를 해결하는 데 쓰이는 방법을 모색할 계획입니다.
또한 글로벌 IT컨설팅 및 서비스 기업인 소프트서버(SoftServe)의 R&D 그룹은 의약품 발견과 긴급 물류 최적화 등 여러 응용 분야에서 cuQuantum을 활용합니다. 주가 동향 예측, 금융 포트폴리오 관리 자동화 등 금융 양자 시뮬레이션에서도 이를 사용하고 있죠.
그런 연구 노력은 2021년 말 출시 당시 cuQuantum 지원을 발표한 구글 퀀텀(Google Quantum) AI와 아이온큐(IonQ) 등의 기존 협력자들과 함께 이루어 지고 있습니다.
GTC에서 자세히 알아보기
양자 가속 슈퍼컴퓨팅, 생태계, 제약 산업에서의 응용에 대한 개괄적인 내용을 제공하는 GTC 세션에서 더 자세하게 알아보세요.
전체적인 내용은 아래 NVIDIA 설립자 겸 CEO인 젠슨 황(Jensen Huang)의 GTC 키노트에서 확인할 수 있습니다.