엔비디아는 미국 새너제이에서 열린 GTC 행사에서 보스턴에 ‘엔비디아 가속 양자 연구센터(NVIDIA Accelerated Quantum Research Center, NVAQC)’를 설립한다고 발표했다. 이 센터에는 엔비디아 블랙웰 GPU 576개로 구성된 슈퍼컴퓨터가 구축될 예정이며, 엔비디아 GB200 NVL72 시스템과 퀀텀-2 인피니밴드(Quantum-2 InfiniBand) 네트워킹 플랫폼도 갖출 계획이다.

양자 컴퓨터는 AI 슈퍼컴퓨터와의 통합을 통해 고난이도 문제 해결을 지원하는 가속 양자 슈퍼컴퓨터로 발전할 가능성이 있다. 양자 처리 장치(QPU)를 AI 슈퍼컴퓨터에 통합하는 일은 새로운 애플리케이션을 개발하는 데 핵심적인 역할을 하며, NVAQC 같은 센터는 향후 양자 하드웨어 구동을 위한 기술적 돌파구를 마련하고 양자 오류 수정 및 장치 제어 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

엔비디아에서 컴퓨터 지원 공학, 양자 및 쿠다-X(CUDA-X) 부문을 총괄하는 팀 코스타는 “NVAQC는 양자 컴퓨팅을 차세대 기술로 발전시키기 위해 오랫동안 필요했던 도구를 활용하는 센터다. 양자 알고리즘과 하드웨어의 대규모 시뮬레이션, 양자 프로세서 통합, 양자 전용 AI 모델 학습과 배포를 위한 공간이 될 것”이라고 설명했다.

퀀티넘(Quantinuum), 큐에라(QuEra), 퀀텀 머신(Quantum Machines) 같은 양자 컴퓨팅 전문 기업은 하버드 양자 이니셔티브(Harvard Quantum Initiative, HQI), MIT의 엔지니어링 양자 시스템(Engineering Quantum Systems, EQuS) 연구 그룹과 같은 학술 기관, 그리고 엔비디아와 협력해 양자 컴퓨팅 발전을 가속화할 방안을 모색하고 있다.

MIT 양자 공학 센터 소장이자 전기공학·컴퓨터과학·물리학 교수인 윌리엄 올리버는 “NVAQC는 양자 생태계 전반의 연구 발전을 이끄는 데 중요한 역할을 할 도구다. 엔비디아는 실용적인 양자 컴퓨팅을 실현하는 데 있어 핵심 파트너”라고 전했다.

AI 슈퍼컴퓨팅으로 디코딩 성능 향상 기대

큐비트는 주변 환경과 상호작용해 제어와 측정을 수행하지만, 동시에 ‘노이즈’라고 불리는 원치 않는 방해 요소에 취약하다. 노이즈는 양자 계산의 정확도를 떨어뜨릴 수 있기 때문에 제어 가능한 수준의 노이즈 환경에서만 양자 알고리즘이 제대로 작동한다.

양자 오류 수정 기술은 이 문제를 해결하는 접근법이다. 여러 개의 노이즈가 있는 물리적 큐비트에 오류 없는 논리 큐비트를 인코딩하고, 반복 측정을 통해 오류를 식별하고 수정해 양자 정보를 보존한다.

오류 수정에서 핵심적인 과정인 ‘디코딩’은 오류 발생 위치를 파악하고 적절한 수정을 적용하는 작업이다. 매우 빠른 시간 안에 기존 컴퓨터에서 실행해야 하는 고난도 연산이며, 노이즈가 통제 불가능한 상태로 번지는 것을 막는 데 중요한 작업이다.

NVAQC는 AI 슈퍼컴퓨팅이 디코딩 속도를 얼마나 높일 수 있는지를 주요 연구 주제로 삼고 있다. 특히 양자 하드웨어와 AI 슈퍼컴퓨팅 간의 연계를 통해, 저지연·병렬처리 기반의 AI 강화 디코더를 GB200 그레이스 블랙웰 슈퍼칩에서 구현하는 방안을 모색 중이다.

큐에라는 엔비디아와 협력해 새로운 양자 오류 수정 코드를 찾고, 복잡한 양자 회로 시뮬레이션을 통해 해당 코드의 성능을 검증할 계획이다.

가속 양자 슈퍼컴퓨터를 위한 애플리케이션 개발

대부분의 유용한 양자 알고리즘은 고전 컴퓨팅 자원과 양자 컴퓨팅 자원을 동등하게 활용한다. 이 때문에 두 종류의 하드웨어를 통합하는 가속화된 양자 슈퍼컴퓨터가 필요하다.

예를 들어, 고전 슈퍼컴퓨터의 출력은 양자 계산을 준비하는 데 필요한 경우가 많다. NVAQC는 이런 하이브리드 알고리즘을 개발하고 개선하는 연구에 필요한 이기종 컴퓨팅 인프라를 제공한다.

NVAQC에서는 새로운 AI 기반 컴파일 기술도 연구된다. 퀀티넘과의 협업으로 모든 양자 알고리즘의 런타임을 가속화할 가능성도 검토하고 있다. 퀀티넘은 이전부터 엔비디아와 협력해왔으며, 쿠다-Q(CUDA-Q) 플랫폼을 통해 하드웨어 및 에뮬레이터를 제공하고 있다. 현재 쿠다-Q 사용자들은 퀀티넘의 System H1 QPU 하드웨어 및 에뮬레이터에 90일간 접근할 수 있다.

QPU 통합과 고대역폭 인터페이스 기술 개발

양자 하드웨어와 AI 슈퍼컴퓨팅 간의 통합은 여전히 해결해야 할 과제다. 특히 양자 오류 수정에 필요한 디코딩은 수백만 큐비트의 데이터를 낮은 지연 시간으로 양자와 고전 하드웨어 간에 전송할 수 있어야 디코딩이 원활히 이뤄진다.

퀀텀 머신은 NVAQC에서 엔비디아와 협력해 양자 프로세서와 GB200 슈퍼칩 간의 빠른 고대역폭 인터페이스를 지원하는 새로운 컨트롤러 기술을 개발하고 개선할 계획이다.

양자와 고전 하드웨어 통합의 핵심은 연구자와 개발자가 단일 애플리케이션 내에서 두 컴퓨팅 방식 간 맥락 전환을 신속하게 수행하는 것이다. 엔비디아의 쿠다-Q 플랫폼은 양자-고전 통합 환경을 구현하는 데 필수적인 기반 도구로, 연구자가 NVAQC를 통해 이 기능을 활용할 수 있도록 지원한다.

엔비디아는 NVAQC가 엔비디아 DGX 퀀텀과 쿠다-Q 기반의 참조 아키텍처를 바탕으로 차세대 양자 컴퓨팅 개발을 이끄는 중심지가 될 것이며, 큐비트 기술이 더욱 실용적인 양자 컴퓨터로 발전하는 데 필요한 토대를 제공할 것이라고 덧붙였다.
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