양자 컴퓨터는 계속해서 발전하고 있습니다. 이제 AI 슈퍼컴퓨터와 통합해 세계에서 가장 어려운 문제를 해결할 수 있는 가속화된 양자 슈퍼컴퓨터로 진화할 것입니다.
양자 처리 장치(quantum processing unit, QPU)를 AI 슈퍼컴퓨터에 통합하는 것은 새로운 애플리케이션 개발의 핵심입니다. 미래의 양자 하드웨어를 실행하는 데 중요한 돌파구를 마련하고 양자 오류 수정과 장치 제어 개발을 가능하게 하죠.
NVIDIA는 GTC에서 미국 보스턴에 NVIDIA 가속 양자 연구센터(NVIDIA Accelerated Quantum Research Center, NVAQC)를 설립한다고 발표했습니다. 여기에는 양자 컴퓨팅 연구를 위해 NVIDIA Blackwell GPU 576개가 탑재된 슈퍼컴퓨터가 들어설 예정입니다. 또한, NVIDIA GB200 NVL72 시스템과 NVIDIA Quantum-2 InfiniBand 네트워킹 플랫폼을 갖추고 있습니다.
NVIDIA의 컴퓨터 지원 공학, 양자와 CUDA-X 부문 수석 이사인 팀 코스타(Tim Costa)는 “NVAQC는 양자 컴퓨팅을 차세대 기기로 확장하기 위해 오랫동안 요구되어 온 도구를 활용합니다. 이 센터는 양자 알고리즘과 하드웨어의 대규모 시뮬레이션, 양자 프로세서의 긴밀한 통합, 양자를 위한 AI 모델의 훈련과 배포를 위한 장소가 될 것”이라고 말했습니다.
퀀티넘(Quantinuum), 큐에라(QuEra), 퀀텀 머신(Quantum Machines)과 같은 양자 컴퓨팅 혁신 기업들은 하버드 양자 이니셔티브(Harvard Quantum Initiative, HQI)와 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology, MIT)의 엔지니어링 양자 시스템(Engineering Quantum Systems, EQuS) 그룹의 학술 파트너, 그리고 NVIDIA와 함께 프로젝트를 진행합니다. 이 프로젝트는 양자 컴퓨팅을 향한 여정을 AI 슈퍼컴퓨팅으로 가속화할 수 있는 방법에 대해 모색합니다.
전기 공학, 컴퓨터 사이언스, 물리학 교수이자 EQuS 그룹의 책임자 겸 MIT 양자 공학 센터 소장인 윌리엄 올리버(William Oliver)는 “NVAQC는 전체 양자 생태계에서 차세대 연구를 안내하는 데 중추적인 역할을 할 강력한 도구입니다. NVIDIA는 유용한 양자 컴퓨팅을 실현하기 위한 중요한 파트너”라고 말했습니다.
NVAQC가 극적인 영향을 미칠 것으로 상정된 양자 컴퓨팅의 과제로는 주요한 몇 가지가 있습니다.
AI 슈퍼컴퓨팅으로 큐비트 보호
큐비트 간 상호 작용은 양날의 검입니다. 큐비트는 제어와 측정을 위해 주변 환경과 상호 작용해야 하지만, 이 상호 작용은 동시에 원치 않는 방해인 ‘노이즈’의 원인이 되기도 합니다. 노이즈는 양자 계산의 정확도에 영향을 미치며, 양자 알고리즘은 노이즈 결과가 제어되는 경우에만 작동할 수 있습니다.
양자 오류 수정은 이러한 문제에 대한 해결책을 제공합니다. 다수의 노이즈가 있는 물리적 큐비트 내에 오류 없는 논리 큐비트를 인코딩함으로써, 반복 측정을 통해 얻은 출력 데이터를 처리해 큐비트 오류를 식별, 추적, 수정할 수 있습니다. 이 과정에서 계산에 필요한 섬세한 양자 정보는 손상되지 않습니다.
오류가 발생한 위치와 적용할 수정 사항을 파악하는 프로세스를 디코딩이라고 합니다. 디코딩은 노이즈가 통제 불능 상태로 눈덩이처럼 불어나는 것을 방지하기 위해 짧은 시간 내에 기존 컴퓨터에서 수행해야 하는 매우 어려운 작업이죠.
NVAQC의 주요 목표는 AI 슈퍼컴퓨팅이 디코딩을 가속화할 수 있는 방법을 탐구하는 것입니다. 센터 내에 양자 하드웨어를 배치하는 방법을 연구하면 NVIDIA GB200 Grace Blackwell 슈퍼칩에서 실행되는 저지연, 병렬화, AI 강화 디코더를 개발할 수 있습니다.
NVAQC는 양자 오류 수정의 다른 과제도 해결할 것으로 기대됩니다. 큐에라는 NVIDIA와 협력해 새롭고 향상된 양자 오류 수정 코드 검색을 가속화하고, 복잡한 양자 회로의 까다로운 시뮬레이션을 통해 후보 코드의 성능을 평가할 예정입니다.
하버드 대학교의 조슈아와 베스 프리드먼 대학(Joshua and Beth Friedman University) 교수 겸 HQI의 공동 책임자인 미카일 루킨(Mikhail Lukin)은 “NVAQC는 업계 전체가 유용한 양자 컴퓨팅에 더 가까이 다가가도록 돕는 새로운 양자 오류 수정 코드와 디코더를 발견, 검증, 개선하는 데 필수적인 도구가 될 것”이라고 말했습니다.
가속 양자 슈퍼컴퓨터를 위한 애플리케이션 개발
대부분의 유용한 양자 알고리즘은 고전과 양자 컴퓨팅 자원을 동등하게 활용하며, 궁극적으로 두 종류의 하드웨어를 통합하는 가속화된 양자 슈퍼컴퓨터가 필요한데요.
예를 들어, 고전 슈퍼컴퓨터의 출력은 양자 계산을 준비하는 데 필요한 경우가 많습니다. NVAQC는 이러한 하이브리드 알고리즘을 개발하고 개선하는 연구에 필요한 이기종 컴퓨팅 인프라를 제공합니다.
NVAQC에서는 새로운 AI 기반 컴파일 기술도 탐구될 예정이며, 퀀티넘과의 협업을 포함해 모든 양자 알고리즘의 런타임을 가속화할 수 있는 잠재력이 있습니다. 퀀티넘은 NVIDIA와 이전에 진행했던 통합 작업을 바탕으로 NVIDIA CUDA-Q 플랫폼을 통해 하드웨어와 에뮬레이터를 제공할 예정입니다. CUDA-Q 사용자에게는 현재 90일 동안 퀀티넘의 시스템(System) H1 QPU 하드웨어와 에뮬레이터에 접근할 권한이 주어집니다.
퀀티넘의 사장 겸 CEO인 라지브 하즈라(Rajeeb Hazra)는 “이 센터에서 NVIDIA와 협력할 수 있게 돼 매우 기쁩니다. 퀀티넘의 강력한 양자 시스템과 NVIDIA의 최첨단 가속 컴퓨팅을 결합함으로써 우리는 하이브리드 양자-클래식 컴퓨팅의 경계를 넓히고, 흥미로운 새로운 가능성을 열어가고 있습니다”고 말했습니다.
QPU 통합
양자 하드웨어를 AI 슈퍼컴퓨팅과 통합하는 것은 유용한 양자 하드웨어를 실행하는 데 남아 있는 주요 장애물 중 하나입니다.
이러한 통합의 요구 사항은 매우 까다로울 수 있는데요. 양자 오류 수정에 필요한 디코딩은 수백만 큐비트의 데이터를 고전과 양자 하드웨어 간에 매우 짧은 대기 시간으로 전송할 수 있는 경우에만 작동합니다.
퀀텀 머신은 NVAQC에서 NVIDIA와 협력해 양자 프로세서와 GB200 슈퍼칩 간의 빠른 고대역폭 인터페이스를 지원하는 새로운 컨트롤러 기술을 개발하고 연마할 예정입니다.
퀀텀 머신의 CEO인 이타마르 시반(Itamar Sivan)은 “유용한 양자 컴퓨터의 실현을 가속화합니다. 연구자들에게 양자 클래식 컴퓨팅의 경계를 넓힐 수 있는 가장 진보된 인프라를 제공하려는 NVIDIA의 노력이 커지는 것을 보게 되어 기쁩니다”고 말했습니다.
양자 하드웨어와 고전 하드웨어 통합의 핵심은 연구자와 개발자가 단일 애플리케이션 내에서 이 두 가지 서로 다른 컴퓨팅 패러다임 간의 맥락을 빠르게 전환할 수 있다는 것입니다. NVIDIA CUDA-Q 플랫폼은 연구원들이 NVAQC의 양자-고전적 통합을 활용할 수 있는 진입점이 될 것입니다.
NVAQC는 양자와 고전 하드웨어를 통합하기 위한 참조 아키텍처인 NVIDIA DGX Quantum, CUDA-Q와 같은 도구를 기반으로 합니다. 이는 양자 컴퓨팅의 차세대 개발의 진원지가 되고, 큐비트가 영향력 있는 양자 컴퓨터로 진화하는 데 발판을 마련할 것입니다.
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