양자 컴퓨팅의 현황

양자 컴퓨팅은 다르다

양자컴퓨팅(Quantum Computing)은 양자물리학을 이용해 계산을 수행한다는 개념으로, 일반적인 반도체 기반 컴퓨팅 방식과 다르다. 0과 1(전류 또는 전류 없음)을 생성하는 대신 큐비트라고 하는 "양자 비트"를 사용합니다. 여기서 입자 데이터는 한 번에 0과 1이거나 1 또는 0입니다.

미적분학 방식의 근본적인 차이로 인해 양자 컴퓨팅은 "일반" 컴퓨팅의 대안이 아니라 오히려 보완적입니다.

표준 컴퓨팅은 선형 방식으로 작동하며 기후 모델링, 암호화 또는 단백질과 같은 복잡한 분자의 3D 구성과 같은 매우 복잡한 계산을 처리하는 데 어려움을 겪습니다. 그리고 이것이 바로 양자 컴퓨팅이 탁월할 것으로 예상되는 계산 유형입니다.

따라서 우리의 노트북과 스마트폰은 결코 양자 컴퓨터가 될 수는 없지만 과학 연구에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

양자 컴퓨팅은 어렵다

따라서 양자 슈퍼컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터보다 수천 배 더 나은 성능을 발휘할 것이라는 약속과 함께 이를 현실화하기 위해 많은 연구가 진행된 것은 놀라운 일이 아닙니다.

하지만 문제는 큐비트를 하나라도 만드는 것이 기술적으로 매우 어렵다는 것이다. 첫 번째 어려움은 양자 컴퓨팅이 절대 영도보다 약 100도 높은 초저온에서만 작동한다는 것입니다. 이러한 조건에서만 일부 독특한 물질이 초전도체(전기 저항이 없는 물질)로 변합니다. 이는 에너지를 소비하고 비용이 많이 들며 달성하기 어렵습니다.

그런 다음 큐비트의 데이터를 제어, 조작 및 "읽기"하는 작업도 복잡하며 일반적으로 초정밀 레이저, 원자 현미경 및 센서가 관련됩니다. 마지막으로 간섭으로 인해 큐비트가 쓸모없게 되므로 완벽한 진공도 달성해야 합니다.

반도체 칩이 원자 몇 개 크기의 물질을 다루는 반면, 양자 컴퓨팅은 입자 크기의 물질을 다루는 것을 목표로 합니다. 특히, 실용적인 양자 컴퓨터는 안정성을 유지하고 서로 상호 작용하기 위해 수천 개의 큐비트가 필요합니다.

양자 컴퓨팅의 발전

1,000큐비트 임계값 초과

“의 Gerhard Birkl 교수가 이끄는 팀원자 – 광자 – 양자” 물리학과 연구그룹 TU 다름슈타트 독일의 지금까지 가장 큰 양자 컴퓨터를 만들었습니다.

그들은 개별적으로 제어할 수 있는 1,000개의 원자 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터를 만들어 현장에서 다른 많은 과학 팀과의 경쟁에서 승리했습니다.

출처: Optica

1,000이라는 숫자는 부분적으로 상징적이지만 양자 컴퓨터의 의미 있는 적용에 필요할 것으로 예상되는 숫자에 가깝습니다. 그 이하로는 대부분 과학적 호기심과 유망한 아이디어이지만 그 이상은 아닙니다.

이 기술은 원자를 개별적으로 조작할 수 있는 특수 레이저인 "광학 핀셋"을 사용합니다. 마이크로 광학 분야의 발전 덕분에 이는 훨씬 더 큰 시스템을 구축할 수 있는 확장 가능한 방법에 대한 양자 컴퓨팅에서 가장 유망한 기술입니다.

출처: Optica

"제곱센티미터당 렌즈릿 수가 100,000개에 쉽게 도달하고 수 100제곱센티미터 면적의 MLA 웨이퍼를 생산할 수 있으므로 사용 가능한 레이저 전력에 의해서만 제한되는 확장성 측면에서 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다."

출처: Optica

이러한 광학 핀셋의 사용을 완벽하게 함으로써 Birkl 교수는 수천 큐비트를 갖춘 대형 양자 컴퓨터를 설계할 수 있음을 입증했습니다. 이는 결국 다른 연구자들이 양자 계산을 수행하는 데 필요한 필수 도구를 제공할 것입니다.

물리학을 해결하는 양자 시뮬레이터

오늘날 물리학자들이 겪고 있는 많은 문제는 양자 규모의 입자 거동과 연관되어 있거나 적어도 30개 이상의 입자가 시뮬레이션되는 순간 발생합니다. 이는 일반 컴퓨팅 시스템이 일반적으로 입자의 확률적 동작과 양자물리학 문제로 어려움을 겪고 있기 때문에 문제가 됩니다.

이 문제를 해결하기 위한 이상적인 상황은 "양자 시뮬레이터” 큐비트가 양자 입자의 동작을 시뮬레이션할 수 있는 곳입니다. 이는 큐비트가 양자 특성을 자체적으로 사용하기 때문입니다. 얽히게 함 위에 놓기, 이는 일반 컴퓨터에서 시뮬레이션하기 어려운 부분입니다.

양자 시뮬레이터는 본질적으로 특수한 유형의 양자 컴퓨터이지만 지금까지의 문제는 각각의 특정 물리적 질문에 대해 양자 시뮬레이터를 맞춤 설계하는 대신 다양한 입자를 시뮬레이션할 수 있도록 만드는 것이었습니다.

나탈리아 체피가(Natalia Chepiga)와 그녀의 연구 그룹, 조교수 네덜란드 델프트 공과대학교, 해결책을 찾았을 수도 있습니다.

그녀는 과학 분야에서 완전히 제어 가능한 양자 시뮬레이터를 생성하는 프로토콜을 제안합니다. Physical Review Letters에 게재된 논문. 이는 주파수나 색상이 다른 두 개의 레이저를 사용하여 계산에 추가 차원을 추가하는 방식으로 작동합니다. 이론적으로 이 방법은 양자 시뮬레이터 미적분학에 2차원 이상을 추가하도록 확장될 수 있습니다.

출처: TU 델프트

이러한 유형의 양자 시뮬레이터는 초저온 물리학(초전도체 포함), 반도체, 재료 과학, 통신 및 에너지 기술(특히 배터리)을 포함하여 현재 지식의 최전선에 있는 많은 연구 노력을 크게 촉진할 수 있습니다.

QuBits 대신 QuDits

대부분의 양자 컴퓨팅 설계는 큐비트에 초점을 맞추고 있어 큐비트를 더 쉽게 조작/프로그래밍하고 추가할 수 있습니다. 대안은 양자 숫자 또는 “큐디트(qudits)”를 사용하는 것입니다.

“x 큐비트를 가진 양자 컴퓨터는 2개의 큐비트를 수행할 수 있습니다.^x 계산. 그러나 x개의 큐디트를 가진 머신(D는 큐디트당 상태 수를 나타냄)은 D를 수행할 수 있습니다.^x 계산 횟수.

이는 큐디트를 사용할 때 더 적은 수의 양자 입자로 동일한 정보를 인코딩할 수 있음을 의미합니다.”

마틴 링바우어, 오스트리아 인스브루크 대학의 양자물리학자 IEEE 스펙트럼

간단히 말해서, 양자 컴퓨팅 시스템의 D 차원이 많을수록 기하급수적으로 강력해지고 있습니다. 큐비트 대신 큐디트를 사용하는 이러한 보다 효율적인 계산 외에도 큐비트보다 더 안정적이고 계산 오류가 발생할 가능성이 더 낮을 것으로 예상됩니다.

그래서 빅뉴스는 Andrea Morello가 이끄는 연구팀 에 호주의 USNW 창조하다 16차원의 고도로 제어 가능한 큐디트 컴퓨팅 시스템. D=16인 경우 시스템에 추가된 큐디트 수는 16만큼 컴퓨팅 용량을 증가시킵니다.

이를 달성하기 위해 그들은 실리콘 나노전자 장치에 이온 주입된 123Sb(안티몬) 공여 원자를 사용했습니다.

“원자의 결합된 힐베르트 공간은 16차원에 걸쳐 있으며 전기장과 자기장을 모두 사용하여 접근할 수 있습니다. 안드레아 모렐로"

이 시스템은 놀라운 결과를 얻었습니다. 특히, "핵 스핀은 구동 메커니즘에 관계없이 이미 99%를 초과하는 게이트 충실도를 보여줍니다." 안티몬 원자는 또한 이전에 사용된 31P(인)에 비해 개선된 것입니다. 왜냐하면 안티몬은 더 무거운 원자이고 조작하기 더 쉽기 때문입니다.

이러한 기술적, 과학적 성과는 동위원소로 정제된 28Si(실리콘)를 사용하고, 잔류 29Si 농도를 제거하고, 시스템의 신뢰성(코히어런스 시간 및 게이트 충실도)을 개선하는 등 더욱 개선되고 있습니다.

양자 컴퓨팅 개발 현황

이 분야는 아직 초기 단계에 있으며, 사용 가능한 큐디트나 프로그래밍 가능한 양자 시뮬레이터와 같은 완전히 새로운 개념이 여전히 등장하고 있습니다.

1,000개 이상의 큐비트 시스템을 만드는 과정과 결합하여 이는 양자 컴퓨팅이 향후 수십 년 동안 엄청난 미개척 잠재력을 지닌 매우 중요한 과학 분야가 될 가능성이 있음을 보여줍니다.

현재 재료 과학이나 생화학 연구는 AI에 의해 촉진되고 있으며, 이는 우리 기사에서 논의한 내용입니다.핵심 기술인 인공 지능(AI)을 중심으로 뭉친 파괴적인 산업. "

그러나 곧 향후 5~10년 안에 우리는 양자 컴퓨팅 계산의 실질적인 결과를 보기 시작할 수도 있습니다. 하드웨어는 이제 사고 실험 및 실험실 시연용에서 상업용 연구용 컴퓨터의 프로토타입으로 이동하고 있습니다.

다음 단계는 양자 컴퓨팅의 잠재력을 극대화할 수 있는 소프트웨어를 개발하고 비용을 절감하고 일부 표준화를 제공하기 위해 대규모 양자 컴퓨터를 생산하기 시작하는 것입니다.

따라서 여러 면에서 양자 컴퓨팅은 1950년대와 1960년대에 최초의 상업용 컴퓨터 메인프레임이 출시된 후 이후 수십 년 동안 일반적인 비즈니스 및 연구 도구가 되는 단계에 있습니다.

양자 컴퓨팅 애플리케이션

완전히 예측하기는 어렵지만, 우리는 양자 컴퓨팅이 더욱 널리 보급되면서 큰 이점을 얻을 수 있는 몇 가지 부문을 이미 알고 있습니다.

• 생화학적 모델링: 단백질의 3D 형태 결정부터 유전자 발현까지, 복잡한 생물학적 분자의 계산부터 원자까지의 계산은 생명공학 연구에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
• 기후 모델링: 기후 모델은 엄청나게 복잡하며 현재 슈퍼컴퓨터가 수행할 수 있는 작업의 한계를 확장합니다. 지리적으로나 시간적으로 모델의 더 정밀한 계산 규모를 통해 기후를 더 잘 이해하면 기후 변화 위험을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 반도체: 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터 칩을 훨씬 더 강력하게 만드는 데 사용될 수 있습니다. 이제 "일반" 칩이 나노미터 규모에 도달함에 따라 양자 현상은 점점 더 문제가 되고 있으며 이를 해결하려면 양자 컴퓨터가 필요할 수 있습니다.
• 재료 과학: 양자물리학을 더 잘 이해하고 재료가 개별 원자까지 반응하는 것을 통해 항공우주, 배터리, 3D 프린팅, 제조 등에 사용되는 재료에 대한 새로운 디자인을 열 수 있습니다.
• 암호화: 양자 컴퓨터는 잠재적으로 현재의 모든 암호화 방법을 쓸모없게 만들 수 있습니다. 이는 군사, 금융 및 IT 시스템에 있어 심각한 문제입니다. 그러나 동시에 암호화를 더욱 안전하게 만들 수도 있습니다.

양자 컴퓨팅 주식

1. 사용되는 International Business Machines Corporation

(IBM )

IBM(International Business Machines Corporation)은 최초의 메인프레임 컴퓨터 상용화를 주도한 회사였습니다. 그러나 Apple, TSMC, NVIDIA와 같은 다른 거대 기술 기업에 뒤쳐졌습니다.

그러나 양자 컴퓨터 개발의 최전선에 있습니다. 예를 들어, 127큐비트 "Eagle" 양자 컴퓨터를 개발한 후 "Osprey"로 알려진 433큐비트 시스템을 개발했습니다.

그리고 지금은 그 뒤를 이어 1,121개 초전도 큐비트 양자 프로세서 '콘도르(Condor)' 교차 공진 게이트 기술을 기반으로 최첨단 양자 프로세서인 "Heron"을 결합했습니다.

마지막으로 IBM은 1.0년 2024월 가장 인기 있는 양자 컴퓨팅 SDK인 Qiskit XNUMX을 출시했으며 이전 릴리스에 비해 회로 구성, 컴파일 시간 및 메모리 소비가 향상되었습니다.

IBM은 앞으로 자사의 양자 칩이 현재 사용되는 인프라를 '초월'할 것으로 예상하며 다음 주요 목표를 이미 발표했습니다. 이 목표는 'IBM 퀀텀 시스템 투(IBM Quantum System Two)'로, 최대 16,632 큐비트를 지원할 수 있는 모듈형 시스템입니다.

IBM의 강점은 설립 초기부터 초고성능 슈퍼컴퓨터 개발에 있었습니다. 이 분야는 가전제품과 표준화된 칩의 부상으로 그늘에 가려져 있었습니다. 양자 컴퓨팅의 등장은 IBM이 다시 한번 빛을 발하고 과학 연구 및 대기업 컴퓨팅 수요를 충족하는 이 중요한 컴퓨팅 분야에서 선두주자로 자리매김할 수 있는 계기가 될 것입니다.

2. 마이크로 소프트

이미 "일반" 클라우드 서비스의 선두주자인 Microsoft는 다음과 같은 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스 제공의 선구자입니다. 애저 퀀텀미래에는 대부분의 양자 컴퓨팅이 연구원들이 자신의 양자 컴퓨터에 직접 접근하는 대신, 마이크로소프트의 클라우드 서비스와 같은 서비스에 의존하여 "원격으로" 수행될 가능성이 매우 높습니다.

궁극적으로 대부분의 양자 컴퓨팅 응용 프로그램은 생화학자, 재료 과학 전문가, 기후 과학자 및 양자 컴퓨팅에 대한 특별한 배경 지식이 없는 기타 전문가에 의해 연구될 가능성이 특히 높습니다. 따라서 컴퓨팅 부분을 처리하기 위해 IBM, Microsoft 또는 Google과 같은 회사에서 근무하는 전담 전문가에게 의존하는 것은 현장에 낯선 사람을 고용하거나 교육하는 것보다 더 합리적입니다.

서비스는 또한 제공할 수 있습니다 양자컴퓨팅과 기존 클라우드 기반 슈퍼컴퓨터 서비스를 결합한 '하이브리드 컴퓨팅'.

출처: Microsoft

수직적 통합 대신, Microsoft의 양자 컴퓨팅 접근 방식은 양자 컴퓨팅을 달성하기 위해 가능한 거의 모든 기술을 포괄하는 해당 분야의 리더와 파트너십을 구축하는 것이었습니다. 이온 Q (아이온큐), 파스칼, 양자, QCI (QUBT) 및 리게티 (RGTI).

출처: Microsoft

양자 컴퓨팅은 적어도 현재로서는 마이크로소프트 사업의 핵심은 아닙니다. 그럼에도 불구하고 이 분야의 핵심 주체이며, QCI나 리게티처럼 상장된 양자 컴퓨팅 파트너사의 주식을 직접 인수하는 것보다 "더 안전한" 주식 선택이 될 수 있습니다.

3. 알파벳 주식 회사

Google은 주로 Google Quantum AI 연구소와 Santa Barbara의 Quantum AI 캠퍼스를 통해 양자 컴퓨팅 분야에서 매우 적극적입니다.

구글의 양자 컴퓨터는 2019년에 시커모어 머신으로 "양자 우월성"을 달성했다고 주장하면서 역사를 만들었습니다. 구글은 기존 슈퍼컴퓨터가 200년이 걸리는 계산을 10,000초 만에 해냈습니다.

하지만 구글의 가장 큰 공헌은 아마도 소프트웨어 분야일 것입니다. 소프트웨어는 구글이 하드웨어(검색, GSuit, 안드로이드 등)보다 훨씬 더 뛰어난 실적을 기록하고 있는 분야입니다. 이미 구글의 양자 AI는 과학자들의 양자 알고리즘 개발을 지원하도록 설계된 소프트웨어 제품군을 제공하고 있습니다.

Google은 양자 컴퓨팅 소프트웨어 및 프로그래밍의 표준을 설정하는 회사 중 하나일 수 있으며, 향후 해당 분야가 어떻게 발전할지 지시할 수 있는 특권을 제공할 수 있습니다.

4. 퀀티늄/하니웰

Quantinuum은 Honeywell Quantum Solutions와 Cambridge Quantum(그리고 앞서 언급한 것처럼 Microsoft 양자 클라우드 컴퓨팅의 파트너)이 합병된 결과입니다.

Quantinuum은 현재 2023년 XNUMX월에 출시된 Quantum Monte Carlo Integration(QMCI) 엔진을 통해 다른 양자 컴퓨팅 시스템, 특히 금융 및 공급망 관련 분석에서 덜 탐구되는 부문에 집중하는 것으로 보입니다.

QMCI는 금융 파생 상품 가격 책정이나 고에너지 입자 물리학 실험 결과 시뮬레이션과 같은 분석 솔루션이 없는 문제에 적용되며 비즈니스, 에너지, 공급망 물류 및 기타 부문 전반에 걸쳐 컴퓨팅 발전을 약속합니다.

Microsoft와 마찬가지로 양자 컴퓨팅은 Honeywell 사업의 핵심 부분이 아니며, 항공우주, 자동화, 특수 화학 및 소재 분야의 제품을 중심으로 이루어집니다.

그러나 이러한 비즈니스 부문 모두가 양자 컴퓨팅의 혜택을 누릴 수 있다는 점을 고려하면 Honeywell이 참여할 비즈니스 사례를 보는 것은 어렵지 않습니다.

따라서 Honeywell은 양자 컴퓨팅 서비스 제공업체이자 양자 컴퓨터를 실제 비즈니스 사례에 적용함으로써 이익을 얻을 수 있는 회사 중 하나가 되었습니다. Quantinuum을 그룹에 통합하면 산업보다 더 빠른 속도로 육성하는 데 도움이 될 것입니다. 경쟁자.

5. 인텔

인텔은 주요 칩 생산업체이며 이러한 강점을 양자 컴퓨팅 분야에 활용하는 것을 목표로 하는 것으로 보입니다.

최근에 출시됐어요 “터널 폭포”, “ 가장 진보된 실리콘 스핀 큐비트 칩". 주목할만한 점은 프로토타입이 아니라 웨이퍼 전반에 걸쳐 95%의 수율과 전압 균일성을 갖춘 대규모로 제작된 칩이라는 점입니다. 이는 초기 단계이자 빠르게 변화하는 산업에서는 현재로서는 찾아보기 힘든 양자 컴퓨팅 칩의 대량 생산의 길을 열어줍니다.

출처: 인텔

인텔은 뿌리에 충실하여 칩을 활용하는 소프트웨어도 개발하고 있습니다. 인텔 퀀텀 SDK이는 프로그래머가 인텔 양자 칩 설계와 호환되는 양자 컴퓨팅용 소프트웨어를 개발할 수 있는 지침을 제공하는데, 이는 역사적으로 인텔의 기존 칩 사업에 있어 매우 강력하고 수익성 있는 사업적 우위였습니다.

출처: 인텔

확장 가능한 양자 칩 제조의 출현은 다른 기술적인 과학적 혁신만큼 업계에 혁명적일 수 있으며, 비용을 절감하고 공통 프로그래밍 표준 및 칩 아키텍처를 설정합니다.

인텔은 1960년대 이후에도 여전히 혁신과 관련 특허를 이어받으며 이것이 컴퓨팅 산업에서 얼마나 강력한 힘이 될 수 있는지 경험을 통해 알고 있는 회사입니다.

6. 디파이언스 퀀텀 ETF

양자 컴퓨팅 분야는 아직 초기 단계입니다. 지금까지 이런 종류의 기초 연구에 수십억 달러의 자금을 조달할 수 있을 만큼 충분한 자금을 가진 대규모 기술 기업이 대부분을 인수해 왔습니다.

그러나 다른 많은 소규모 회사들도 이 분야에서 활발히 활동하고 있으며, 일부는 거대 기업과 협력하여 기술을 배포하고 있습니다.

비전문가 투자자가 다양한 양자 컴퓨팅 기술의 복잡성을 이해하고 어떤 기술이 상업적으로 성공할지 추측하는 것은 다소 어려운 작업일 수 있습니다.

따라서 소규모 양자 컴퓨팅 스타트업에 대한 직접 투자는 선택 사항이지만, 또 다른 방법은 ETF에 의존하여 해당 부문에 노출되는 동시에 저렴한 비용으로 다각화하는 것입니다.

Defiance Quantum ETF에는 다음이 포함됩니다. 보유 중인 양자 컴퓨팅 관련 주식 69개에는 양자 컴퓨터 및 칩 개발자뿐만 아니라 냉각 시스템, 레이저, 소프트웨어 및 양자 컴퓨터 또는 양자 칩 생산에 사용되는 기타 기술 공급업체도 포함됩니다.

출처: 디파이언스 ETF

빠르게 발전하는 이 분야에서는 대부분의 투자자, 심지어 반도체 산업에 익숙한 사람이라도 어느 정도 다각화를 통해 이익을 얻을 수 있습니다. 따라서 이는 개별 기술 대기업이 올바른 파트너십을 선택하거나 다양한 주식에 베팅함으로써 달성할 수 있으며, 이는 전용 ETF를 통해 더 효율적으로 달성되는 경우가 많습니다.