모든 큐비트 양자 하드웨어 기술에 도입 가능

양자 컴퓨터 상용 개발의 핵심 단계 중 하나는 고성능 범용 운영 체제(Operating System)의 개발이다.

영국 케임브리지 대학(Cambridge University)의 스핀 아웃 기업인 리버레인(Riverlane)에서 만든 ‘델타플로.OS(Deltaflow.OS)’에서 애플리케이션은 신중하게 선택된 인터페이스 또는 ‘하드웨어 추상화 계층(hardware abstraction layer)’을 통해 양자 하드웨어에서 구현된다.

‘Deltaflow.OS’는 IBM 등 기존 인터페이스에 비해 몇 배나 큰 규모로 단기(near-term) 양자 컴퓨팅(quantum computing) 애플리케이션 성능을 향상한다. 예를 들어, 신약 발견 또는 재료 설계에 중요한 컴퓨터 화학 응용 프로그램은 단기 장치에서 30배 더 빠르게 실행된다. 크고 안정적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필수적인 양자 오류 수정을 수행할 때 Deltaflow.OS로 인한 성능 향상은 약 1000배가 될 것이다. 이 인터페이스의 표준화 된 정의를 통해 Deltaflow.OS는 초전도체, 이온 포획(trapped-ion), 실리콘, 포토닉(photonic)  등 주요 큐비트(qubits) 기술 모두에 도입할 수 있다.

리버레인 CEO 스티브 비리에리(Steve Brierley) 박사는 “양자 컴퓨팅에서 정말 중요한 문제를 해결했다. 양자 컴퓨터에서 가능한 최고의 성능을 발휘하면서 하드웨어와 소프트웨어가 상호 작용하는 방식이다. 이것은 마침내 양자 컴퓨터 애플리케이션 설계의 복잡성을 하드웨어에서 소프트웨어로 전환한다”고 말했다.

구글(Google)과 IBM 등 기존 양자 컴퓨터는 외부 사용자에게 감춰진 맞춤형 운영 체제에서 실행된다. 다른 하드웨어 기술이나 다른 실험실에 도입할 수 없다.

Brierley 박사팀은 Deltaflow.OS가 하드웨어 추상화 계층(양자 컴퓨팅의 ‘hello world’요구 사항인 ‘Rabi oscillation’이라고 함)을 사용해 핵심 기술 작업을 성공적으로 완료했음을 입증했다. 이 작업은 이온 포획 기술로 작동하는 양자 하드웨어 회사 옥스포트 아이오닉스(Oxford Ionics)와 협력해 옥스포드 대학의 양자 컴퓨터에서 수행됐다.

Oxford Ionics, Hitachi Europe, ARM, National Physical Laboratory와 하드웨어 스타트업 Oxford Quantum Circuits, Seeqc, Universal Quantum 및 Duality Quantum Photonics로 구성된 리버레인이 주도하는 컨소시엄은 최근에 £ 7.6M(한화 121억 1,630만 원)의 보조금을 받았다. 보조금 내에서 Deltaflow.OS는 이온 포획, 초전도, 실리콘 및 광학적  큐비트 네 가지 양자 하드웨어 기술을 모두 포함하는 모든 양자 컴퓨터에 설치된다.

Deltaflow.OS를 시장에 선보인 영국 정부는 National Physical Laboratory의 주도하에 양자 컴퓨터에 대한 소프트웨어-하드웨어 상호 작용을 표준화해 영국 양자 기술 생태계를 변화와 기술 선도를 목표로 했다.

‘Acorn Computers’와 ARM 공동 설립자이자 리버레인 투자 아마데우스 캐피탈(Amadeus Capital) 벤처 파트너 헤르만 하우저(Hermann Hauser) 박사는 “하드웨어와 소프트웨어 간의 올바른 인터페이스를 정의하는 것은 마이크로프로세서의 성공에 중요한 역할을 했다”고 말했다.

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에서 가장 작은 데이터 단위인 비트에 해당하는 깨지기 쉬운 큐비트로 구성된다. 큐비트는 복잡한 제어 시스템을 필요로 하며, 운영 체제가 작동 가능하도록 유지해야 한다. Deltaflow.OS는 해당 제어 시스템의 모든 요소에 직접 코드를 작성한다. 가장 빠른 요소인 FPGA는 시간이 중요한 작업에 활용될 수 있기 때문에 신뢰성을 향상시키고 계산을 수행할 수있는 속도를 크게 향상시킨다. Deltaflow.OS로 작성된 애플리케이션은 필요한 경우 FPGA를 사용하기 때문에 IBM Qiskit으로 작성된 애플리케이션보다 빠르다.

Oxford Ionics CEO 톰 하티(Tom Harty) 박사는 “우리는 5년 넘게 이온 포획 양자 컴퓨터를 위한 제어 시스템에 대해 작업했으며 문제가 얼마나 복잡한 지 알고 있다. 영국 산업계가 모여 서로 다른 큐비트 기술을 위한 하드웨어와 소프트웨어 간의 상호 작용을 표준화할 기회가 절실히 필요했다”고 말했다.

양자 컴퓨터가 약속하는 향상된 컴퓨팅 성능은 화학, 제약 및 의료 분야에서 혁신을 주도하고 있다. 장기적으로 양자 컴퓨터는 암호화를 변환하고 기계학습, 인공지능, 금융 및 에너지 혁신에 영향을 미칠 수 있다.