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[윌로우, 양자 혁명의 시작(5)] 윌로우 칩, 극저온의 심장으로 태어나다: 구글 양자 AI 연구소 탐험
- 구글의 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우'는 단순한 기술적 도약을 넘어, 미래 컴퓨팅 혁신을 위한 새로운 패러다임을 열고 있다. 그러나 이 혁신이 가능했던 이유는 단순한 설계 이상의 과학적 정밀함과 최첨단 기술이 집약된 구글 양자 AI 연구소의 역할이 있었기 때문이다. 이번 회에서는 윌로우 칩 제작에 숨겨진 놀라운 기술적 비밀을 깊이 있게 탐구한다. [편집자 주] 양자 컴퓨팅, 극저온에서 태어나다 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트는 외부 환경의 영향을 매우 민감하게 받는다. 이러한 특성 때문에 큐비트는 극저온 환경에서만 안정적으로 작동할 수 있다. 구글 양자칩은 초전도 회로를 사용해 에너지를 저장하고, 자기장과 전기장을 활용한 조셉슨 접합(Josephson junction)을 사용한다. 이 과정을 통해 고품질의 큐비트를 만들고, 이를 큰 규모의 복합 장치에 통합할 수 있다. 구글 연구소는 윌로우 칩의 안정성을 극대화하기 위해 '희석 냉장고(dilution refrigerator)'라는 첨단 장비를 활용한다. 이 냉장고는 절대 온도(0K, 섭씨 -273.15도)에 가까운 약 10밀리켈빈(mK, -273.14℃)의 초저온 환경을 유지한다. 이 온도에서는 전기 저항이 사라지는 초전도 상태가 형성되어 큐비트가 외부 간섭 없이 안정적으로 양자 상태를 유지할 수 있다. 이는 윌로우 칩의 연산 능력을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다. 초전도 회로: 큐비트의 속삭임을 듣다 윌로우 칩은 초전도 회로를 기반으로 설계되었다. 초전도 회로는 전류가 전혀 손실 없이 흐를 수 있는 상태를 만들어 큐비트 간의 정보 전달을 정확하고 효율적으로 수행한다. 구글 연구소는 조셉슨 접합과 같은 기술을 활용해 큐비트의 상태를 정밀하게 제어하며 외부 환경으로부터 발생하는 간섭을 최소화한다. 또한, '표면 코드(surface code)' 기술을 적용해 큐비트 배열을 최적화함으로써 계산의 정확도를 높였다. 이러한 기술적 설계는 윌로우가 기존 양자 컴퓨팅 칩과 차별화되는 이유 중 하나다. 희석 냉장고: 큐비트를 지키는 방패 희석 냉장고는 윌로우 칩의 성능을 보장하는 중요한 장비다. 이 냉장고는 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합을 통해 극저온을 생성하며, 큐비트 주변의 열적 노이즈를 제거한다. 양자 컴퓨터는 외부의 노이즈(잡음)에 매우 민감하다. 열 뿐만아니라 라디오파, 전자기장, 심지어 우주선으로부터 영향을 받을 수 있다. 희석 냉장고를 통해 큐비트는 안정적으로 작동하며, 더 높은 수준의 계산을 수행할 수 있다. 구글은 이 냉각 기술을 통해 큐비트의 성능을 극대화할 뿐만 아니라, 양자 오류 정정 기술을 실험하고 개선할 수 있는 환경을 조성했다. 이는 윌로우가 양자 컴퓨터 상용화를 향한 중요한 이정표가 된 이유다. 정밀한 배선 기술: 큐비트를 연결하다 큐비트는 매우 민감한 구조를 가지고 있어 배선 과정에서도 신호 손실이나 노이즈를 최소화하는 정밀한 설계가 필요하다. 구글 연구소는 윌로우의 배선을 설계할 때, 실온에서 극저온 환경까지 안정적으로 신호를 전달할 수 있도록 특별히 설계된 마이크로파 신호 전달 시스템을 사용했다. 이는 큐비트 간 정보 전달의 정확성을 높이고, 계산 오류를 줄이는 데 기여했다. 윌로우 칩, 인류의 난제를 해결하다 윌로우 칩의 성공은 단순한 기술적 진보가 아니다. 이는 구글 퀀텀 AI가 양자 컴퓨팅의 상용화를 향해 나아가는 여정의 중요한 이정표다. 의약품 개발, 에너지 효율화, 기후 변화 대응 등 다양한 분야에서 윌로우는 인류가 직면한 난제를 해결할 강력한 도구로 자리 잡고 있다. 구글의 윌로우는 단순히 기술 혁신을 이루는 데 그치지 않고, 새로운 윤리적 논의를 불러일으키고 있다. 다음 회에서는 양자 컴퓨팅의 사회적 영향과 이를 둘러싼 논의를 심층적으로 다룬다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(6)]에서 이어진다.
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- IT/바이오
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[윌로우, 양자 혁명의 시작(5)] 윌로우 칩, 극저온의 심장으로 태어나다: 구글 양자 AI 연구소 탐험
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구글, 오류 대폭 줄인 양자칩 적용한 양자컴퓨터 공개
- 구글은 9일(현지시간) 양자컴퓨터에서 사용할 신형 양자칩을 개발했다고 발표했다. 로이터통신 등 외신들에 따르면 구글은 이날 슈퍼컴퓨터가 10셉틸리언(10해년-septillion·10²⁴)년 걸리는 문제를 단 몇 분 만에 푸는 양자컴퓨터를 개발했다고 밝혔다. 10셉틸리언은 10의 25제곱이며 1조의 10조배에 달하는 수다. 구글은 자체 개발한 양자 칩 '윌로우(Willow)'를 장착한 양자컴퓨터가 성능 실험에서 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 프런티어를 능가했다고 설명했다. 이어 프런티어가 10셉틸리언(10의 25제곱)년 걸려야 풀 수 있는 문제를 윌로칩을 장착한 양자컴퓨터는 단 5분 안에 풀었다고 덧붙였다. 천문학적인 시간이 걸리는 계산을 5분미만에 실행할 수 있을 뿐만 아니라 30여 년간 병목 기술로 불려왔던 양자 오류 수정 기술을 획기적으로 개선하는데 성공했다. 또한 기존 슈퍼컴퓨터를 대체할 계산인프라로 폭넓은 용도에서의 실용화의 길을 열었다. 구글 양자 AI 설립자인 하트무트 네벤은 "이는 중요하지 않다"며 "간단한 문제조차 해결하지 못하면 실용적인 문제도 해결할 수 없다"고 부연했다. 구글은 기존 컴퓨터가 풀지 못하는 실제 문제 해결 사례를 내년에 발표할 것이라고 밝혔다. 구글은 또 윌로우가 큐비트 수를 늘리면서 오류를 줄일 수 있는 임계값 이하(Below Threshold)를 달성한 첫 양자시스템이며 실시간으로 오류를 수정할 수 있는 기술도 개발했다고 설명했다. 양자컴퓨터는 대개 전기 저항이 없는 초전도 큐비트를 사용해 정보를 처리하는데, 외부의 저항에 쉽게 오류가 발생하는 단점이 있었다. 로이터통신은 "양자컴퓨터를 실용적으로 만드는 데 중요한 단계"라고 짚었다. 뉴욕타임스(NYT)는 "양자컴퓨팅은 양자역학이라는 물리학의 한 분야에 대한 수십년간의 연구 결과로 여전히 실험적인 기술이지만, 구글의 성과는 과학자들이 이 기술에 대한 오랜 기대를 충족시킬 수 있는 방법들을 꾸준히 발전시키고 있음을 보여준다"고 평가했다. 양자컴퓨터는 기존의 슈퍼컴퓨터로 수십년 걸리는 복잡한 문제를 수분내에 해결할 수 있다. 현재로서는 특정의 계산외에는 사용할 수 없지만 기술개발로 앞으로 더 복잡한 문제를 해결해 새로운 소재와 화학제품의 개발로 이어질 것으로 기대되고 있다. 구글은 지난 2014년에 양자컴퓨터 분야에 진출했다. 지난 2019년에는 양자컴퓨터 '시카모어'를 개발해 슈퍼컴퓨터가 1만년 걸리는 문제를 약 3분에 해결해 '양자초월'이라 불리는 기술혁신을 달성했다고 발표했다. 구글은 이번 연구로 성능이 더욱 높이게 됐다. 양자컴퓨터는 미국의 거대 기술기업이 연구개발에서 앞서고 있다. 중국, 유럽, 일본, 캐나다 등도 차세대의 중요한 정보기술로 정부지원을 지원을 받아 연구기관과 스타트업들이 개발경쟁을 벌이고 있다.
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구글, 오류 대폭 줄인 양자칩 적용한 양자컴퓨터 공개
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