세계에서 가장 차가운 양자 컴퓨터: 왜 필요할까?

입력 2020.8.10.

BBC 원문 2020.8.7.

[시사뷰타임즈] 미국이 공격을 받고 있다고 상상해 보자. 탄두를 여러개 탑재한 적국 전투기 한 대가 해안으로 향하고 있으면서 레이더 상에 타나났다 사라지고를 반복한다. 전투기들이 몰려가게 되고 광적으로 목표물을 정확히 찾아내려는 노력들을 한다.

그러나 이 나라의 최상의 방어는 항공모함이나 마사일 체지가 아니라 믿기 어려울 정도로 차가운 원자들이 들어있는 상자이다.

장군 한 명이 “양자 컴퓨터를 사용하라”며 고함친다. 컴퓨터 속에 있는 원자들이 여러 복잡한 문제를 해결할 수 있으며, 거의 즉각적으로, 어떻게 레이더를 조절해야 할지 지시를 내려 적 전투기를 추적하여 겨눌 수 있게 한다.

이와 같은 각본의 개념을 이미 이해하고 있는 한 회사가 있는데 콜드콴타이다. 이 회사는 최근 미국 방어 연구 기관인 다파(DARPA)와 방어체제가 부분적으로 작동이 안될 경우 레이더 장비를 어떻게 다시 재위치 시켜야 되는 지를 신속히 계산해 내는 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 계약을 맺었다.

이 특별계획은 양자의 한 단위들로서 충분한 원자들을 함께 모을 수 있는 능력에 의존하는 것인 바, 양자 컴퓨터 본체 한 대를 구축하여 컴퓨터가 계산을 할 수 있게 해준다.

이렇게 하려면, 원자들은 극도로 저온이어야 하기에 세계에서 가장 처온 컴퓨터를 만드는 것이 된다.

양자로 계산하는 것은 대단히 선전 또는 광고돼있는 것이긴 하지만, 기술은 대단히 유아기에 있다. 여러 회사들은 이제 막 이러한 체제를 구축하기 시작하면서, 그들이 주장에 따르면, 어느 날엔가는 모종의 유용한 과제에서 전통적이고 디지틀적인 컴퓨터들을 능가할 것이라고 말한다.

컬러라도에 본사가 잇는 콜드콴타의 수석 임원인 보 이왈드는 “지는 40개월 동안 우리에게 해달라는 요청이 들어온 것은, 수천 개의 양자 단위를 갖고 있는 기계로 현실 세계의 방어 관련 문제들 해결할 수 있는 것을 만들어 날라는 것인데, 현재 우리가 연구하고 있는 것이 이런 깃으로 레이더를 섭렵할 수 있는 기계이다.”라고 말한다.

상기한 예는 문제를 최대한 잘 해결할 수 있는 것이 되는데, 이렇게 하는 것엔 수천만 가지의 가능한 해법들이 있을 수도 있다. 핵심은 그중 가장 최상인 것을 택하는 것이다.

군사적인 응용 외데도, 양자 컴퓨터들은 의약품 설계, 투자 전략, 대형함대에서의 복잡한 시간 계획 문제 등에 사용될 수 있다.

이왈드는 이러한 분야에서 양자 컴퓨터들이 영향력을 최초로 미치게 될 것 -기존 컴퓨터들로도 여러 문제들에 대핸 최상의 해법을 찾는 것 및 가장 빠르다는 수퍼 컴퓨터라도 해결을 위해선 몇 시간이 소요될- 이라고 말한다.

개발되고 있는 양자 컴퓨터는 다양한 형태이지만, 극저온 중성 원자를 양자 단위로 사용하는 접근 법은 통상적인 것이 아닌 바, IBM, 구글 등 대회사가 개발하고 있는 초전도성 양자 컴퓨터 또는 이온이라고도 알려져 있는 임무를 준 원자들을 사용하는 다른 것들과는 다르다.

초전도성 양자 컴퓨터들은 양자 단위로 개개의 원자를 사용하지 않고 저온에 의존하지만, 콜드콴타의 중성 원자들이 필요로 하는 저온 만큼 낮지는 않다.

“초전도성인 녀석들은 1천 켈빈에서 가동되는데...우리는 미세 켈빈으로 내려와 있다”라고 그는 자랑스럽게 설명한다.

켈빈, 절대온도.. 무슨 뜻인가?

켈빈은 온도 측정 단위다. 0(영) 켈빈은 절대적 영(-273.15C)으로서 그 어떤 것이든 가장 저온일 수 있는 한계치다.

밀리켈빈은 0.001 켈빈이므로 차가우며 콜드콴타의 미세켈빈 원자들은 훨씬 더 차가우며 대략 0.000001 켈빈이다. 자연 우주에서 우리가 아는 그 어느 곳보다도 밀리켈빈이나 미세켈빈이 훨씬 더 차갑다.

콜드콴타의 경우의 루비디엄 원자들은 너비가 1인치, 깊이 1인치 그리고 높이 2인치 정도 되는 육각형 또는 직사각형 유리 상자 안에 함께 모여지게 된다. 원자들은 순전히 레이저로만 들어올려진다.

그런데, 온도가 그토록 중요한 이유는 뭔가? 스트라스클라우드 대학교의 앤드류 데일리 교수와 그의 동료들도 극저온 중성원자 양자 컴퓨터를 연구하고 있다. 그는 원자들을 조작하여 제자리에 유지시키는 것이 대단히 중요하다고 말한다.

원자들 위에 레이저를 비춰주면 모종의 에너지를 방출하며 속도가 느려진다. 이런 상태를 이용하여 원자들을 거의 가만히 있도록 붙들어 놓을 수가 있는 바, 진짜 핵심이 여기에 있는 것이다. 양자들은 나나 여러분들이 차갑다고 여기는 정도에선 차갑지가 않다. 오히려 원자들이 그냥 대단히 느려질 뿐이다.

여러분이 오리(원자)들을 일렬 횡대로 놓으면, 이 오리들을 원하는 대로 저일할 수 있다고 데일리 교수는 말한다. 원자들을 아주 미세하게 조종한가는 것은 이들이 2 내지는 3차원 적 대형에 놓일 수도 있음을 뜻하며, 양자 컴퓨터 심장부에 서로 가깝게 채워진다. 이렇게 하는 것은 중요한 바, 원자 하나가 추가될 때마다 컴퓨터의 역량은 두 배가 되기 때문이다.

각각의 중성 원자를 연이어 레이저로 쿡쿡 찌르면, 이 원자의 크기가 대단히 커진다. 이러한 조정 작업이 정보를 암호화하거나 ‘얽힘’이라고 불리는 기이한 현상을 통해 원자들을 함께 연결시킨다. 이제 수학적 모형이나 어떤 류의 문제를 나타내기 위해 수정할 수 있는 체제로 함께 기능하는 양자 단위의 모음을 갖게된 것이다.

놀랍게도, 이론상 양자 컴퓨터 사용자는 한 번에 이 프로그램 체재로 어마어마한 숫자를 모의 실험 할 수 있다. 이것은 전통적인 컴퓨터가 많ㅇ리 하는 병렬 계산식과는 아주 다르다. 이 컴퓨터가 하는 것은 더욱 낯선 것이며 과거 컴퓨터보다 예측할 수 있는 면이 덜하고 까다로운 과정 끝에 유용한 답을 얻게된다.

스트라스클라이드 대학의 데일리 교수의 동료교수인 조나단 피차드는 “ 끝에 가서 양자 상대라는 것이 우리가 해결하고자 하는 문제의 답을 나타낸다는 사실이 우리가 원하는 것”이라고 했다. 양자 컴퓨터는 어떤 특정한 상태를 지원하거나 아니면 한 문제에 대한 특정한 답을 하면서 끝나야 한다.

문제를 제대로 풀기 위해, 이 컴퓨터는 우리를 최선의 답안에 훨씬 더 가까이 데려다 주는데, 전통 컴퓨터들 보다 훨씬 더 신속하고 효율적이다.

데일리 교수는 “우린, 우리가 이 기계들로 고전적 컴퓨터들에서 할 수 있었던 이상의 뭔가를 해냈음을 입증하는 컴퓨터 책무 -아주 유용한 것으로- 를 보여주길 정말이지 기다리고 있다.”고 했다.

프랑스 회사 빠스칼은 콜드콴타의 원칙을 기반으로 하는 원형(原型) 체제를 구축하고 있다.

빠스칼 체제는 에너지 거대기업인 EDF를 위한 것인데, 만일 이 체제가 효과적으로 나간다면, 이 체제는 전기 차량 충전을 초효율적 계획을 내놓게 될 것이다. 특히, 목표는 모든 차량이 충전에 필요한 총 시간을 최소화하겠다는 것이며 또한 타사 제품들보다 훨신 더 중요한 차량이라는 사실을 우선적ㅇ드로 부각시키겠다는 이유도 있다.

문제의 유형들은 전통 컴퓨터들로도 자을 수 있는 것임을 이 회사 회장 Christophe Jurczak은 시인하지만, 그는 양자 체제는 결국 더욱 빠른 것이 될 것이며 전통적인 것이 24시간 걸릴 것을 한 시간에 할 것이라고 했다.

그는 “이런게 큰 것이 아닌 듯 하지만, 만일 여러분들의 전략을 매시간 새롭게 보강하길 원한다면, 그땐 차이가 클 것”이라고 말한다. 그리고 이 체제는 처리과정에서 수퍼컴퓨터보다 전기를 100배 덜 쓸 수도 있다.

현재, 이 모든 것들은 실제로 보여주는 것만 남았다. 그러나 2~3년 내로 될 것이라는 징후가 있는 바, -즉 일부 사람이 기대하던 것보다 더 빠르다는 것- 우린 그냥 이 어리둥절하게 만드는 차가운 컴퓨터가 실제로 얼마나 유용한 지를 알게될 것이다.

The coldest computers in the world

 

By Chris Baraniuk

Technology of Business reporter

 

7 August 2020

 

Image copyrightJACK HAO YANG

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Scientists can trap atoms with lasers in experiments like this one at the University of Strathclyde

 

Imagine the US is under attack. An enemy aircraft, loaded with warheads, is heading towards the coast, dipping in and out of radar. Fighter jets have been scrambled and there's a frantic effort to pinpoint the target.

 

But the nation's best defence is not an aircraft carrier or a missile system. It's a box of incredibly cold atoms.

 

"Use the quantum computer," yells a general. The atoms inside the computer can solve complex problems and, almost instantly, spit out an instruction for how to reconfigure a radar array so that the enemy aircraft can be tracked and targeted.

 

One firm already getting to grips with a scenario like this is ColdQuanta. It recently signed a contract with US defence research agency Darpa to build a quantum computer that can rapidly work out how best to reposition radar equipment in the event of a defence system partially failing.

 

The project relies on being able to gather together enough atoms as qubits - the building blocks of a quantum computer, which allow it to perform calculations.

 

To do this, the atoms have to be extremely cold, making such computers the coldest in the world.

 

Quantum computing is much-hyped but the technology is very much in its infancy. Firms are just beginning to build systems that they claim will one day outperform traditional, digital computers at certain useful tasks.

 

Image copyrightPASQAL

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Quantum computing is still in its experimental stage

 

"What we're asked to do over the next 40 months is be able to have a machine that has thousands of qubits to solve a real-world defence-related problem and the one that we're working on is a version of this radar coverage problem," explains Bo Ewald, chief executive of ColdQuanta, based in Colorado.

 

The example above is an optimisation problem, a scenario to which there may be thousands or millions of possible solutions. The key is to choose the best one.

 

Besides military applications, quantum computers could have uses in drug design, investment strategies, encryption-cracking and complex scheduling problems for large fleets of vehicles.

 

Mr Ewald says this is where quantum computers will have their initial impact - in finding optimal solutions to problems that would take existing computers, even the fastest supercomputers, many hours or days to resolve.

 

There are various types of quantum computer in development but the approach using ultra-cold neutral atoms as qubits is unusual - it's different from the superconducting quantum computers being developed by big firms such as IBM and Google, or other projects that use charged atoms, also known as ions, instead. 

 

Superconducting quantum computers don't use individual atoms as qubits, and while those systems rely on low temperatures they are not as low as those needed for ColdQuanta's neutral atoms.

 

"The superconducting folks are running at millikelvin… we're down to microkelvin," he explains, proudly.

 

Kelvin is a measurement of temperature. Zero kelvin, absolute zero (-273.15C) is the coldest anything could ever be.

  

And while millikelvin is cold, at 0.001 kelvin, ColdQuanta's microkelvin atoms are much colder - at roughly 0.000001 kelvin. Both are significantly colder, indeed, than anywhere we know about in the natural universe.

 

Image copyrightCOLDQUANTA

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Atoms are trapped in a glass box by lasers

 

In ColdQuanta's case rubidium atoms are gathered together inside a vacuum within a tiny, hexagonal or rectangular glass box, about an inch wide, an inch deep and two inches high. The atoms are held aloft purely by lasers.

 

But why is temperature so important? Prof Andrew Daley at the University of Strathclyde and his colleagues are also working on ultra-cold neutral atom quantum computers. He says it is crucial to be able to manipulate the atoms and hold them in place.

 

Shining lasers onto the atoms prompts them to release some energy and slow down. That makes it possible to hold them almost perfectly still, which is the real point here. They're not cold in the sense that you or I would conceive of cold - rather, they are just greatly slowed down.

 

Once you've got your ducks - atoms - in a row, you can arrange them just how you want, says Prof Daley. This fine-grained control over the atoms means they can be placed in two- or three-dimensional formations, packed near to one another at the heart of a quantum computer. That's important because with every additional atom, the computer's capabilities are doubled.

 

Prodding each neutral atom with yet another laser excites them, greatly increasing their size. These adjustments encode information or link the atoms together via a weird phenomenon called entanglement. Now you have a collection of qubits functioning together as a system that you can tweak in order to represent a mathematical model or problem of some kind.

 

Amazingly, the user of a quantum computer could in theory programme this system to simulate a huge number of possibilities at once. It's not quite like a traditional computer processing lots of calculations in parallel, it's stranger and less predictable than that and getting a useful answer out at the end is tricky.

 

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Professor Daley is waiting for quantum computers to perform a "useful' task

 

"What you want is that the quantum state at the end represents the answer to the problem you're trying to solve," says Jonathan Pritchard, Prof Daley's colleague at Strathclyde. The quantum computer should end up favouring a particular state, or, one particular answer to a problem.

 

For the right problem, it could get us a lot closer to an optimal answer, both more quickly and more efficiently, than a traditional computer.

 

"We are really still waiting for a demonstration of a computing task where we can prove that these machines have done something beyond what you can do on a classical computer - for something that's actually useful," says Prof Daley.

 

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Quantum computing exploits the strange interaction of atoms

 

French company Pasqal is building a prototype system, based on similar principles as ColdQuanta.

 

Pasqal's system is for energy giant EDF, which, if it works, will come up with super-efficient schedules for charging electric vehicles. Specifically, the goal is to minimise the total time needed to complete charging for all vehicles while also prioritising certain more important vehicles over others.

 

This sort of problem could be tackled by a traditional computer, admits Christophe Jurczak, chairman, but he argues a quantum system will end up being significantly quicker, doing it in an hour rather than 24 hours for example.

 

"It doesn't seem that big but if you want to update your strategy every hour, that's a big difference," he says. And it might use 100 times less electricity than a supercomputer in the process.

 

At the moment, all of this remains to be demonstrated for real. But there are signs that in the next few years - faster than some expected - we will find out just how useful this breed of bewilderingly cold computer really is.

 

[기사/사진: BBC]