컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 새 칩을 설계하는 것은 최근 수십 년 동안 우리가 경험한 프로세서 성능의 급속한 개선에 중요한 역할을 했다. 이제 중국 연구원들은 양자 세계에 대한 접근 방식을 확장했다.  

전자 설계 자동화 도구는 프로세서의 복잡성이 기하급수적으로 증가함에 따라 1980년대 초에 일반화되기 시작했으며 오늘날에는 칩 설계자에게 없어서는 안될 도구이다.

보다 최근에 Google은 인공지능을 사용하여 차세대 AI 칩을 설계함으로써 접근 방식을 강화하고 있다. 이것은 AI의 빠른 성능 향상으로 이어질 수 있는 반복적인 자기 개선 프로세스를 시작한다는 약속을 담고 있다.

이제 New Scientific은 상하이에 있는 중국 과학 기술 대학의 팀에 대해 동일한 아이디어를 새로운 컴퓨팅 분야인 양자 프로세서에 적용했다고 보고했다. arXiv 인쇄 전 서버에 게시된 논문에서 연구원들은 양자컴퓨터를 사용하여 이전 디자인을 훨씬 능가하는 새로운 유형의 큐비트를 설계하는 방법을 설명한다.

"고전적인 컴퓨터에서는 다루기 힘든 복잡한 양자 시스템의 시뮬레이션은 양자컴퓨터를 사용하여 효율적으로 수행할 수 있다."라고 저자는 썼다. "우리의 작업은 기존 양자 컴퓨팅 리소스를 사용하여 고급 양자 프로세서를 설계하는 길을 열어준다."

아이디어의 핵심은 양자 시스템의 복잡성이 크기가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다는 사실이다. 결과적으로 가장 강력한 슈퍼컴퓨터조차도 상당히 작은 양자 시스템을 시뮬레이션하는 데 어려움을 겪는다.

이는 2019년 Google의 획기적인 "양자 우위" 표시의 기반이 되었다. 이 회사의 연구원들은 53큐비트 프로세서를 사용하여 무작위 양자 회로를 백만 번 실행했으며 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터에서 실험을 시뮬레이션하는 데 약 10,000년이 걸릴 것임을 보여주었다.

이것은 새로운 양자 컴퓨터의 설계를 돕기 위해 고전적인 컴퓨터를 사용하는 것이 매우 빠르게 근본적인 한계에 부딪힐 가능성이 있음을 의미한다. 그러나 양자컴퓨터를 사용하면 문제를 처음부터 복잡하게 만드는 양자 세계의 동일한 기이함을 이용할 수 있기 때문에 문제를 회피한다.

이것이 바로 중국 연구원들이 한 일이다. 그들은 양자컴퓨터의 핵심에서 발견되는 일종의 초전도 전자 회로를 시뮬레이션하기 위해 변형 양자 고유 해석기(variational quantum eigensolver)라는 알고리즘을 사용했다. 이것은 회로의 특정 에너지 수준이 변경될 때 어떤 일이 발생하는지 탐색하는 데 사용되었다.

일반적으로 이러한 종류의 실험을 수행하려면 많은 수의 실제 프로토타입을 만들고 테스트해야 하지만 대신 팀은 변경 사항의 영향을 신속하게 모델링할 수 있었다. 결과는 연구원들이 이미 사용하고 있는 것보다 더 강력한 새로운 유형의 큐비트를 발견했다는 것이다.

모든 2단계 양자시스템은 큐비트로 작동할 수 있지만 대부분의 초전도 양자 컴퓨터는 양자 상태를 전자의 진동으로 인코딩하는 트랜스몬을 사용한다. 시뮬레이션된 양자 회로의 에너지 수준을 조정함으로써 연구원들은 플라소늄(plasonium)이라고 명명한 새로운 큐비트 디자인을 발견할 수 있었다.

그것은 트랜스몬의 절반 크기보다 작으며 연구원들이 그것을 제작했을 때 양자 상태를 더 오래 유지하고 오류가 덜 발생한다는 것을 발견했다. 여전히 트랜스몬과 유사한 원리로 작동하므로 동일한 제어 기술을 사용하여 조작할 수 있다.

연구원들은 이것이 첫 번째 프로토타입에 불과하기 때문에 새로운 초전도 물질과 표면 처리 방법에 대한 최근의 발전과 더 최적화된 통합으로 성능이 훨씬 더 향상될 것으로 기대한다고 지적한다.

그러나 연구원들이 설계한 새로운 큐비트는 아마도 가장 중요한 기여가 아닐 것이다. 오늘날의 기초적인 양자컴퓨터도 미래의 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있음을 보여줌으로써 이 분야의 혁신을 크게 가속화할 수 있는 선순환의 문을 열었다.

이미지 출처: Pixabay/ Pete Linforth