NVIDIA가 유럽 최초의 엑사스케일 슈퍼컴퓨터 JUPITER에서 기록적인 규모의 양자 컴퓨팅 시뮬레이션을 수행했다고 발표했습니다. 이를 통해 연구진은 기존 방식 대비 90% 적은 큐비트를 필요로 하는 선도적인 내결함성 양자 컴퓨팅 접근 방식인 매직 스테이트 배양(magic state cultivation) 기술을 종합적으로 탐구하고 검증할 수 있게 됐습니다.
율리히 슈퍼컴퓨팅 센터의 NVIDIA GH200 슈퍼칩 시스템에서 실행된 이 104큐비트 시뮬레이션은 현재까지 수행된 내결함성 양자 프로세서의 종합 시뮬레이션 가운데 최대 규모인데요. 이번 시뮬레이션은 실제 양자 프로세서가 내결함성 연산을 수행하는 방식을 기록적인 규모로 모델링했습니다.
이러한 높은 수준의 정밀도는 연구진이 실제 시스템을 구축하기 전에 향후 설계의 성능을 예측하는 데 필요한 데이터와 도구를 제공합니다. 이를 통해 하드웨어의 시행착오에 대한 의존도를 줄이고, 신약 개발, 금융 모델링, 재료과학 등 다양한 분야에서 실용적인 양자 컴퓨팅 애플리케이션의 개발을 앞당길 수 있죠.
NVIDIA 젠슨 황 CEO는 “실용적인 양자 컴퓨팅을 구현하기 위해서는 매우 복잡한 내결함성 시스템이 필요하며, 이러한 시스템이 대규모 환경에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 구축의 핵심입니다. 율리히에서 거둔 이번 성과는 양자 프로세서와 GPU 슈퍼컴퓨터가 협력해 기존에는 접근하기 어려웠던 연구 과제를 해결할 수 있음을 보여주죠. 이를 통해 혁신적인 양자 컴퓨팅 애플리케이션의 개발을 가속화할 수 있을 것입니다”라고 말했습니다.
율리히 슈퍼컴퓨팅 센터 소장 Kristel Michielsen은 “유럽의 JUPITER에 대한 투자는 연구진이 기존에는 접근하기 어려웠던 문제들을 탐구할 수 있도록 합니다. NVIDIA와의 협력을 통해 이러한 역량을 양자 컴퓨팅 분야로 확장하고, 과학자들이 유용한 애플리케이션 구현 가능성이 높은 설계에 대해 보다 정확한 정보를 바탕으로 의사결정을 내릴 수 있도록 지원하고 있습니다”라고 말했습니다.
실용적인 양자 컴퓨팅 구현에 필요한 자원 절감
큐비트는 물리학적 한계에서 작동하기 때문에, 이를 제어하는 데 필요한 상호작용 과정에서 오류를 유발하는 노이즈가 불가피하게 발생합니다. 이러한 노이즈가 존재하는 환경에서도 연산을 수행하는 내결함성 양자 컴퓨팅을 구현하려면 매직 스테이트가 필요하죠. 매직 스테이트는 내결함성 양자 연산 과정에서 지속적으로 소모되는 큐비트의 특정 배열을 의미합니다.
내결함성 양자 컴퓨터는 매직 스테이트를 반복적으로 생성해야 합니다. 따라서 매직 스테이트 생성 방식을 조금만 최적화해도 실용적인 양자 컴퓨터 구축에 필요한 자원을 크게 줄일 수 있습니다.
NVIDIA 연구진은 실제와 유사한 노이즈 환경에서 해당 과정을 시뮬레이션함으로써 최첨단 매직 스테이트 배양 방식을 검증했습니다. 이를 통해 연구진이 향후 기술 개선 방안을 개발하고 테스트하는 데 필요한 도구를 제공했습니다.
앞서 율리히 연구소에서는 노이즈가 없는 이상적인 조건에서 50큐비트 시뮬레이션을 수행하며 획기적인 성과를 거둔 바 있는데요. 이번 연구는 실제 하드웨어 노이즈 환경에서 매직 스테이트 배양을 시뮬레이션함으로써 연구진이 오류의 영향을 이해할 수 있도록 지원합니다.
연구 개발에서 엑사스케일 시뮬레이션으로의 확장
매직 스테이트 배양 시뮬레이션은 연구진이 실제 양자 하드웨어를 구축하기 전에 설계를 평가하고 개선할 수 있도록 지원합니다. 그러나 필요한 메모리 용량은 큐비트 수에 따라 기하급수적으로 증가할 수 있어, 대규모 시뮬레이션은 기존 컴퓨팅 시스템으로는 수행하기 어렵죠.
NVAQC(NVIDIA Accelerated Quantum Research Center)의 NVIDIA GB200 NVL72 시스템은 JUPITER 프로젝트의 개발 플랫폼으로 활용됐습니다. 이를 통해 연구진은 GPU 4개에서 수백 개 규모로 테스트를 확장한 후, JUPITER의 GPU 8,192개를 활용하는 단계까지 발전시킬 수 있었죠.
연구진은 NVAQC를 활용해 시뮬레이션 기법의 개발과 테스트를 가속화하고, JUPITER에서 얻은 결과를 비교하며, 추가적인 컴퓨팅 자원에 따라 정확도가 어떻게 변화하는지 분석했습니다. 이를 통해 기존 몇 주가 소요되던 시뮬레이션 작업을 단 며칠로 단축했으며, 연구팀이 JUPITER의 엑사스케일 컴퓨팅 성능을 효과적으로 활용할 수 있는 기반을 마련했습니다.
이번 프로젝트는 양자 컴퓨팅 시스템의 규모가 커짐에 따라 시뮬레이션의 중요성과 복잡성이 더욱 증가한다는 점을 보여줍니다. 또한 NVAQC와 같은 가속 컴퓨팅 클러스터에서 시뮬레이션 방법을 개발하고 검증한 뒤, 가장 까다로운 연산에 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터를 활용하는 방식의 효과도 입증했습니다.
이번 시뮬레이션에는 NVIDIA cuQuantum 소프트웨어가 활용돼 고도로 최적화된 성능과 확장성을 구현했습니다. 또한 NVIDIA CUDA-Q™ 플랫폼의 내결함성 논리 계층을 사용해 매직 스테이트 회로를 구현했습니다.
JUPITER 시뮬레이션에 대한 자세한 내용은 GitHub blog에서 확인할 수 있습니다.
여기서 젠슨 황 CEO의 GTC 베를린 키노트를 시청하고, 여기서 자세한 세션 프로그램을 확인할 수 있습니다.