- 호스리지(Horse Ridge) 극저온 컨트롤러를 활용한 실리콘 큐비트의 하이파이(High Fidelity) 제어와 프로그래밍성을 통한 양자 확장성 진전에 관한 새로운 연구 결과 네이처지에 게재 

인텔은 큐텍(QuTech), 델프트 공과대학교(Delft University of Technology), 네덜란드 국영 응용 과학연구소(Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)와 함께 극저온 희석냉장고에 위치한 양자 칩과 큐비트를 제어하는 복잡한 실온 전자기기 사이에 존재하는 ‘상호 연결 병목 현상’ 해결 방안에 관한 주요 연구 결과를 발표했다고 13일 밝혔다. 인텔은 해당 연구 결과는 연구 과학 저널 ‘네이처(Nature)’지에 게재됐으며, 인텔의 극저온 컨트롤러 칩 호스리지(Horse Ridge)로 양자 확장성 분야의 큰 과제 중 하나를 해결하는 중요한 이정표를 세웠다고 밝혔다.

스테파노 펠레라노(Stefano Pellerano) 인텔 랩스 수석 엔지니어는 “큐텍과 함께 진행한 이번 연구 결과는 극저온 컨트롤러인 호스리지가 여러 개의 실리콘 큐비트를 제어하면서 실온 전자 제품과 동일한 하이파이(Hi-Fi)를 달성할 수 있다는 것을 정량적으로 입증한다. 또한 단일 케이블을 사용해 두 개의 큐비트에 대한 주파수 다중화(Frequency multiplexing)에 성공하며 양자 컴퓨팅의 ‘배선 과제’를 단순화하는 방법을 제시했다”며 “이러한 혁신은 양자 확장성의 문제를 해결함으로써 향후 양자 제어 칩을 양자 프로세서와 완전히 통합할 수 있는 길을 열었다”고 말했다. 

양자 컴퓨팅의 주요 병목 현상은 희석 냉장고에서 극저온으로 저장된 양자 칩과 큐비트를 제어하는 실내 온도 제어 전자 장치 간 발생하는 현상이다. 극저온 온도에서 제어 전자 장치를 하이파이로 작동시키는 것은 소위 ‘상호연결 또는 배선 병목 현상’을 극복하는데 핵심적인 요소이다. 인텔은 22나노미터(nm) 핀펫(FinFET) 저전력 기술을 활용해 제작한 큐비트용 극저온 제어칩 호스리지를 도입해 이러한 과제를 해결하기 위한 첫걸음을 내디뎠으며, 2020년 호스리지 2세대 칩을 발표했다. 호스리지는 복잡한 양자 시스템 제어 배선을 간소화하기 위해 가능한 양자와 가깝게 극저온 냉장고에서 양자 컴퓨터 작동을 위한 핵심 제어 기능을 제공한다. 

이번 연구 결과는 상용 CMOS 기반 극저온 컨트롤러가 실온 전자 제품과 동일한 충실도(99.7%)에서 2 큐비트 프로세서를 일관적으로 제어한다는 것을 무작위 벤치마킹을 통해 성공적으로 증명했다. 이번 연구 결과는 양자 컴퓨팅을 위한 극저온 전자 분야에서 중요한 이정표를 수립했다. 

인텔과 큐텍은 동일한 케이블을 사용해 두 개의 큐비트를 제어하는 주파수 다중화에 성공했다. 오늘날 각 큐비트는 큐비트 수의 증가로 확장 가능하지 않은 접근 방식인 자체 케이블에 의해 개별적으로 제어되기 때문에 이는 중요한 개념 증명이다. 호스리지는 다중화를 통해 큐비트 제어에 필요한 무선 주파수 케이블의 수를 절감함으로써 이러한 한계의 해결을 목표로 하고 있다. 

인텔과 큐텍 연구진은 기존의 컴퓨터보다 양자 컴퓨터에서 더 효율적인 2큐비트 알고리즘인 도이치-조사 알고리즘(Deutsch-Jozsa Algorithm)을 활용해 컨트롤러의 프로그래밍 가능성을 입증했다. 

인텔은 무작위 벤치마킹을 통해 입증된 이번 연구 결과가 양자 제어 전자 장치를 단순화하기 위해 고도로 통합되고 확장 가능한 솔루션으로서 호스리지의 초기 목표를 입증했으며, 멀티 큐비트 알고리즘과 노이즈가 많은 중간 규모의 양자 장치에 직접 적용될 수 있다는 것을 증명했다고 밝혔다. 

인텔은 향후 지속적인 연구를 통해 컨트롤러 칩과 큐비트를 동일한 실리콘 다이 또는 패키지로 완전히 통합해 양자 확장성을 위한 새로운 길을 제시할 수 있을 것이라고 밝혔다.