엔비디아, 양자 컴퓨팅 대중화 위한 가속 연구센터 설립

계속해서 발전하고 있는 양자 컴퓨터는 이제 AI 슈퍼컴퓨터와 통합해 세계에서 가장 어려운 문제를 해결할 수 있는 가속화된 양자 슈퍼컴퓨터로 진화할 것이다.

양자 처리 장치(quantum processing unit, QPU)를 AI 슈퍼컴퓨터에 통합하는 것은 새로운 애플리케이션 개발의 핵심이며, NVAQC 등에서 미래의 양자 하드웨어를 실행하는 데 중요한 돌파구를 마련하고 양자 오류 수정과 장치 제어 개발을 가능하게 한다.

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 엔비디아와 함께 프로젝트를 진행하며 양자 컴퓨팅을 향한 여정을 AI 슈퍼컴퓨팅으로 가속화할 수 있는 방법을 모색한다.

NVAQC가 극적인 영향을 미칠 것으로 상정된 몇 가지 주요 양자 컴퓨팅 과제가 있다.

큐비트 간 상호 작용은 양날의 검이다. 큐비트는 제어와 측정을 위해 주변 환경과 상호 작용해야 하지만, 이 상호 작용은 동시에 원치 않는 방해인 ‘노이즈’의 원인이 되기도 한다. 노이즈는 양자 계산의 정확도에 영향을 미친다. 양자 알고리즘은 노이즈 결과가 제어되는 경우에만 작동할 수 있다.

양자 오류 수정은 이러한 문제에 대한 해결책을 제공한다. 다수의 노이즈가 있는 물리적 큐비트 내에 오류 없는 논리 큐비트를 인코딩함으로써, 반복 측정을 통해 얻은 출력 데이터를 처리해 큐비트 오류를 식별, 추적, 수정할 수 있다. 이 과정에서 계산에 필요한 섬세한 양자 정보는 손상되지 않는다.

오류가 발생한 위치와 적용할 수정 사항을 파악하는 프로세스를 디코딩이라고 한다. 디코딩은 노이즈가 통제 불능 상태로 눈덩이처럼 불어나는 것을 방지하기 위해 짧은 시간 내에 기존 컴퓨터에서 수행해야 하는 매우 어려운 작업이다.

NVAQC의 주요 목표는 AI 슈퍼컴퓨팅이 디코딩을 가속화할 수 있는 방법을 탐구하는 것이다. 센터 내에 양자 하드웨어를 배치하는 방법을 연구하면 엔비디아 GB200 그레이스 블랙웰 슈퍼칩(Grace Blackwell Superchip)에서 실행되는 저지연, 병렬화, AI 강화 디코더를 개발할 수 있다.

NVAQC는 양자 오류 수정의 다른 과제도 해결할 것으로 기대된다. 큐에라는 엔비디아와 협력해 새롭고 향상된 양자 오류 수정 코드 검색을 가속화하고, 복잡한 양자 회로의 까다로운 시뮬레이션을 통해 후보 코드의 성능을 평가할 것이다.

대부분의 유용한 양자 알고리즘은 고전과 양자 컴퓨팅 자원을 동등하게 활용하며, 궁극적으로 두 종류의 하드웨어를 통합하는 가속화된 양자 슈퍼컴퓨터가 필요하다.

예를 들어, 고전 슈퍼컴퓨터의 출력은 양자 계산을 준비하는 데 필요한 경우가 많다. NVAQC는 이러한 하이브리드 알고리즘을 개발하고 개선하는 연구에 필요한 이기종 컴퓨팅 인프라를 제공한다.

NVAQC에서는 새로운 AI 기반 컴파일 기술도 탐구될 예정이며, 퀀티넘과 협업을 포함해 모든 양자 알고리즘의 런타임을 가속화할 수 있는 잠재력이 있다. 퀀티넘은 엔비디아와 이전에 진행했던 통합 작업을 바탕으로 엔비디아 쿠다-Q(CUDA-Q) 플랫폼을 통해 하드웨어와 에뮬레이터를 제공할 예정이다. 쿠다-Q 사용자에게는 현재 90일 동안 퀀티넘의 시스템(System) H1 QPU 하드웨어와 에뮬레이터에 접근할 권한이 주어진다.

양자 하드웨어를 AI 슈퍼컴퓨팅과 통합하는 것은 유용한 양자 하드웨어를 실행하는 데 남아 있는 주요 장애물 중 하나이다.

이러한 통합의 요구 사항은 매우 까다로울 수 있다. 양자 오류 수정에 필요한 디코딩은 수백만 큐비트의 데이터를 고전과 양자 하드웨어 간에 매우 짧은 대기 시간으로 전송할 수 있는 경우에만 작동한다.

퀀텀 머신은 NVAQC에서 엔비디아와 협력해 양자 프로세서와 GB200 슈퍼칩 간의 빠른 고대역폭 인터페이스를 지원하는 새로운 컨트롤러 기술을 개발하고 연마할 예정이다.

양자 하드웨어와 고전 하드웨어 통합의 핵심은 연구자와 개발자가 단일 애플리케이션 내에서 이 두 가지 서로 다른 컴퓨팅 패러다임 간의 맥락을 빠르게 전환할 수 있다는 것이다. 엔비디아 쿠다-Q 플랫폼은 연구원들이 NVAQC의 양자-고전적 통합을 활용할 수 있는 진입점이 될 것이다.

NVAQC는 양자와 고전 하드웨어를 통합하기 위한 참조 아키텍처인 엔비디아 DGX 퀀텀과 쿠다-Q와 같은 도구를 기반으로 한다. 이는 양자 컴퓨팅의 차세대 개발의 진원지 되고, 큐비트가 영향력 있는 양자 컴퓨터로 진화하는 데 발판을 마련할 것이다.