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양자컴퓨터 하드웨어와 그 SDK 들

양자 하드웨어와 SDK에 대하여 간단하게 설명합니다.

여러분은 컴퓨터를 구매할때 어느 CPU를 선호하시나요? 그래픽 카드는 어느 회사의 것을 선호하시나요?

양자컴퓨터는 이제 막, 걸음마 단계이지만 벌써! 여러분이 선택할 수 있는 여러가지 제조사들이 있습니다. 이번 강의에서는 대표적인 양자컴퓨터 하드웨어 제조사들과 그 제조사들에 개발자들에게 제공하는 SDK에 대하여 살펴보도록 하겠습니다. 현재까지 전 세계적으로 정말 많은 양자컴퓨터 관련 기업들이 생겨나고 있지만 우선 이곳에서는 서비스 벤더들 중 하드웨어와 SDK를 모두 제공하는 풀스택 서비스 중 유명한 기업들을 위주로 정리해 보도록 하겠습니다.

1. IBM / Qiskit

IBM은 양자 하드웨어 중 초전도타입의 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다. 초전도 타입의 양자컴퓨터는 온도가 절대 0도에 가까워질때 저항이 0에 가까워지는 초전도 체를 사용해 L과 C로만 구성된 비선형 회로를 큐비트로 구현하여 사용하는 양자컴퓨터입니다. 아래의 유튜브 영상에서 초전도 큐비트의 역사에 대해 간단히 설명을 들으실 수 있습니다.

IBM은 2016년부터 양자컴퓨터를 클라우드 서비스를 사용해 상용화 하여 서비스 하고 있습니다. 물론! 무료로 사용하능한 계정으로도 실제 5큐비트 머신을 사용할 수 있도록 공개하고 있습니다.

IBM은 Qiskit이라는 파이썬 기반의 양자컴퓨터 개발 SDK를 오픈소스로 공개, 관리, 개발하고 있습니다. Qiskit의 깃헙에서 최신의 코드들을 확인해 보실 수 있습니다.

Qiskit은 현재 가장 큰 양자컴퓨터 개발자 커뮤니티를 운영하고 있습니다. 한국인 개발자 커뮤니티 멤버는 2022년 8월 현재 약 270명에 이르고 있으며 특히 커뮤니티의 우수 멤버들을 지원하기 위해 운영중인 Advocate 프로그램에 전세계 300명 중 약 20명의 한국인 Qiskit Advocate이 선발되어 활동하고 있습니다. 이 글을 적고 있는 저는 1세대 한국인  Qiskit Advocate입니다.:)

2. Google / Cirq & Tensorflow Quantum & OpenFermion

구글은 2013년 DWave의 어닐러 머신을 구매한 것을 시작으로 양자컴퓨터를 사용한 머신러닝 연구를 진행하고 있습니다. 현재는 초전도 큐비트 머신인 시카모어를 한정된 파트너에게 클라우드로 서비스 하며 영향력있는 결과들을 내어 놓는 것에 집중하고 있습니다.

구글은 파이썬 기반의 quantumlib 깃헙을 통해 대표적으로 Cirq, OpenFermion의 두가지 라이브러리를, 기존의 머신러닝 라이브러리의 양자컴퓨터 확장판인 Tensorflow Quantum을 텐서플로우 깃헙을 통해 오픈소스로 공개, 관리, 개발하고 있습니다.

3. Microsoft / Q#

마이크로 소프트는 네덜란드의 TU Delft의 연구진과 함께 Majorana particle이라 불리는 아원자를 활용한 양자컴퓨터 하드웨어 개발을 추진중이었으나 2021년 해당 연구 논문의 게재가 철회되며 하드웨어 개발에 있어서 난관에 부딪혀 있습니다.

하지만 Azure 클라우드를 통해 현재 IonQ, Quantinuum의 두가지 이온트랩 타입의 양자컴퓨터를 서비스 하며 하드웨어를 사용할 수 있는 자체 SDK인 Q#을 제공하고 있습니다.

5. D-wave / Ocean

디웨이브는 양자어닐러라 불리우는 타입의 양자컴퓨터를 2011년부터 상용화 하여 서비스 하고 있습니다.

 

위에 언급한 IBM, Google, MS의 양자컴퓨터들이 계산에 게이트라 불리우는 연산 유닛을 사용하는 것과 다르게 양자 어닐러는 풀고자 하는 문제를 수식화 한 후 시스템의 에너지를 띄웠다가 식히는 것을 반복하는, 금속을 제조할 때 사용하는 어닐링 방식을 사용해 문제가 최적화 지점을 찾아가도록 하여 문제를 해결하는 방식을 채택하고 있습니다.

디웨이브는 Leap이라 부르는 클라우드 서비스를 사용해 하드웨어를 제공하고 있으며 Ocean이라 불리는 파이썬 기반 오픈소스 SDK를 공개, 개발, 유지하고 있으며 개발자 커뮤니티를 운영하고 있습니다.

6. Xanadu / Pennylane & Strawberry Field

캐나다의 스타트업 자나두는 포토닉타입의 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다.

 

포토닉타입양자컴퓨터는 초전도 타입의 양자컴퓨터와 달리 상온에서 작동할 수 있고 확장성에 있어서 큰 장점을 지니고 있습니다.

자나두 역시 파이썬 기반의 sdk인 PennyLane과 Strawberry Fields를 공개, 개발, 유지하고 있습니다. 자나두는 특히 양자컴퓨터의 유망 분야 중 하나인 양자머신러닝에서 좋은 결과와 기술을 지니고 있습니다.

7.Quantinuum / TKET

Cambridge Quantum과 Honeywell Quantum이 합병하여 탄생한 퀀티넘은 이온트랩 방식의 양자컴퓨터를 사용서비스 하고 있으며 2022년 8월 현재 현존하는 양자컴퓨터 하드웨어 중 퀀텀 볼륨 기준 가장 뛰어난 성능을 가진 것으로 알려져 있습니다.

퀀티넘 역시 티켓이라 불리는 파이썬 기반 오픈소스  SDK를 공개, 개발, 유지하고 있습니다.

8. IonQ / blqs

듀크대 교수이신 김정상교수님이 공동 창업자인 것으로 한국내에서 유명한, 그리고 유망한 양자컴퓨터 회사인 IonQ는 퀀티넘과는 같은 계열이지만 다른 방식의 이온타입 양자컴퓨터를 서비스 하고 있으며 양자컴퓨터 스타트업들 중 가장 먼저 증시에 상장되어 있습니다.

이온큐는 다른 파이썬 기반 SDK -Qiskit, Cirq, etc - 등과 호환되며 현재 아마존 클라우드, 구글 클라우드 등을 통해 서비스 되고 있습니다. 최근 파이썬 기반의 퀀텀 블럭 개발 SDK인 blqs 를 공개하였습니다.

 

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위에 언급하지 않았으나 리게티등 이미 많은 양자컴퓨터 회사들이 하드웨어 서비스를 제공하고 있습니다.

출처: https://sifoundry.medium.com/near-future-quantum-computing-caae89b0498e

한국의 경우 성균관대학교의 QCenter를 통해 총 6개 파트너대학의 학생들이 IBM의 양자컴퓨터를 프리미엄 억세스로 사용할 수 있으며 이온큐와 디웨이브 장비도 사용할 수 있습니다. 큐센터의 뉴스레터 서비스를 구독하시고 최신 정보들을 받아 보시는 것을 추천합니다.

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