QuEra, 기가쿼프급 결함허용 양자컴퓨터 로드맵 공개…2028~2029년 목표

기가쿼프 시스템의 사양과 로드맵 구조

QuEra가 계획하는 차세대 시스템은 약 10억 회의 신뢰성 있는 논리 연산, 이른바 기가쿼프(gigaquop) 수준의 처리 능력을 목표로 한다. 논리 큐비트 1,000개 이상, 단일 처리 코어에 물리 큐비트 2만 개 이상, 논리 오류율 10⁻⁹을 설계 목표로 삼고 있으며 초기 운용은 2028~2029년 QuEra 자체 시설에서 시작할 예정이다.

이 시스템은 2028년 Amazon Braket을 통해 제공될 예정인 Libra의 후속 세대다. Libra는 약 100만 회의 논리 연산을 수행하는 메가쿼프(megaquop)급 결함허용 시스템이며, QuEra와 AWS의 다년간 전략 협력 틀 안에 포함된다. 기가쿼프 시스템은 Libra 대비 약 1,000배에 달하는 연산 규모를 지향한다.

현재 QuEra는 2022년부터 Amazon Braket에서 운용 중인 256큐비트 아날로그 시스템 Aquila와 일본 ABCI-Q 슈퍼컴퓨터에 함께 배치된 중성원자 기반 논리 큐비트 시스템 Gemini를 보유하고 있다.

성능 확장을 위한 세 가지 기술 과제

기가쿼프 성능에 도달하기 위해 QuEra는 공간 오버헤드 축소, 시간 오버헤드 축소, QEC 디코딩 가속 세 영역에서의 진전이 핵심이라고 밝혔다.

공간 오버헤드 측면에서는 인코딩 비율 약 50%에 달하는 초고율 qLDPC 코드 계열이 주목된다. 물리 큐비트 두 개당 논리 큐비트 하나를 구현할 수 있는 수준으로, 메모리 오류율이 10⁻¹³ 영역에 이를 것으로 예상된다. 이는 기가쿼프급 시스템의 물리 큐비트 요구량을 크게 줄이고, 더 나아가 테라쿼프 체제로의 경로를 열어줄 수 있다.

시간 오버헤드 측면에서는 BB-STAR 아키텍처가 메가쿼프 규모에서의 선행 사례로 제시됐다. QuEra와 협력 연구진이 개발한 이 아키텍처는 격자 기반 양자 시뮬레이션, QEC 코드, 중성원자 하드웨어를 함께 설계해 횡자기장 이징(transverse-field Ising) 및 페르미-허바드(Fermi-Hubbard) 역학 시뮬레이션에서 시공간 비용을 수 자릿수 줄이는 성과를 보였다. 하버드 연구진이 개발한 삼중주기(tricycle) 코드는 낮은 회로 깊이로 고율 매직 상태 생성이 가능함을 보여줬다.

QuEra의 중성원자 플랫폼은 유연한 장거리 연결성, 병렬 원자 제어, 이종 운용 구역을 갖춰 메모리·연산·매직 상태 생성 등 서로 다른 역할에 복수의 QEC 코드 계열을 조합하거나 교체할 수 있도록 설계됐다.

NVIDIA와의 실시간 디코딩 협력

시스템 규모가 커질수록 오류 정정 디코딩이 병목이 될 수 있다. QuEra는 NVIDIA와 협력해 실시간 오류 정정에 GPU 가속 컴퓨팅을 결합한 양자-GPU 슈퍼컴퓨팅 플랫폼을 구축하고 있다. 하버드 협력 연구진의 신경망 기반 디코더 연구도 이 방향을 뒷받침하며, 고속 추론으로 고급 코드에서 실시간 양자 실행을 지원하는 경로를 제시한다.

FTQC 파운더스 서클과 공동 설계의 논리

QuEra는 로드맵 발표와 함께 FTQC 파운더스 서클 참여를 모집했다. 선정된 기관은 QuEra 과학·응용 팀과 함께 사용 사례를 평가하고 결함허용 알고리즘을 공동 설계하며 시스템 우선 접근권 경로를 마련하게 된다. 결함허용 알고리즘을 실제 하드웨어에 효율적으로 매핑하려면 응용·알고리즘·QEC 코드·컴파일·하드웨어 구현 각 층위에서 수년간의 공동 최적화가 필요하다는 것이 QuEra의 입장이다. 이 작업을 기가쿼프 시스템 가동 이전부터 시작해야 물리 큐비트 수, 실행 시간, 디코딩 오버헤드를 실질적으로 줄일 수 있다는 논리다.

로드맵 개발에는 DARPA의 ONISQ·MeasQuIT·SBIR 프로그램, IARPA의 ELQ 프로그램, 에너지부 양자시스템가속기(Quantum Systems Accelerator), 국립과학재단(NSF)이 지원했다. 한편 발표된 사양과 일정은 어디까지나 로드맵 수준의 계획으로, 실제 구현 성능은 개발 과정에서 달라질 수 있다는 점을 감안해야 한다.