극초고진공(XHV)은 컴퓨팅 에너지 비용을 줄이고 실온 양자 컴퓨팅을 발전 시킵니다.

IonQ에서는 상업적 양자 이점을 제공할 수 있을 만큼 강력한 시스템을 위해 계산 에너지 비용을 줄일 수 있는 새로운 진공 솔루션을 적극적으로 개발하고 있습니다. 이 블로그에서는 진공 연구에서 지금까지의 진행 상황, 앞으로의 경로, 그리고 에너지 수요 해결이 양자 산업에 왜 그렇게 중요한지에 대해 논의할 것입니다.

 

컴퓨팅 에너지 위기

생성형 인공지능의 출현은 세계에 전례 없는 컴퓨터 생성 경험을 가져왔고, 컴퓨터가 할 수 있는 일에 대한 많은 사람들의 이해를 변화시켰습니다. 이러한 경험 뒤에는 불행한 진실이 있습니다: 고전적인 기술은 점점 더 많은 에너지를 필요로 합니다. 이 혁명을 이끄는 대형 언어 모델을 연마하고 개선하는 데 점점 더 많은 에너지를 필요로 하는 더 크고 더 큰 모델의 확산이 있습니다. 미국에서만 데이터 센터 수요로 인한 전력 수요 증가가 2022년 200 TWh에서 2026년 260 TWh로 증가할 것으로 예상되며, 이는 국가 전체 전력 사용량의 6%에 해당합니다. 이 문제는 더 에너지 효율적인 GPU를 개발하거나 에너지를 많이 소비하는 데이터 센터를 원자력과 같은 더 친환경적인 에너지원으로 전환하여 해결될 것이라고 주장할 수 있습니다. 그러나 IonQ에서는 산업이 직면한 기하급수적으로 가속화되는 문제에 대한 이러한 점진적인 접근 방식이 부족할 것이라고 믿습니다.

 

IonQ는 새로운 컴퓨팅 접근 방식을 발명하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 자연적으로 발생하는 원자의 양자 특성을 활용하여 문제를 더 효율적으로 해결하고 이전에는 해결할 수 없다고 여겨졌던 새로운 유형의 계산을 수행하는 접근 방식입니다. 이 목표를 향해 끊임없이 노력하면서, 우리는 과거로부터 배우고 현재 고전 산업이 직면한 동일한 함정을 피하기 위해 노력하는 것이 중요하다고 생각합니다. 현재 세계 최대의 고전 컴퓨터 기업들은 공공 에너지 약속과 점점 더 강력한 컴퓨팅 워크플로에 대한 세계의 갈증 사이의 충돌에 직면하고 있습니다. IonQ는 양자 컴퓨팅에 대해 유사한 운명을 피하는 방법을 이미 고민하고 있습니다.

 

양자 컴퓨팅 에너지 영향

양자 컴퓨팅이 고전 컴퓨팅보다 에너지 효율적이라고 널리 말하는 것은 오해의 소지가 있습니다. 현재 다양한 양자 컴퓨터 구축 접근 방식이 탐구되고 있으며, 각 접근 방식의 에너지 요구 사항은 크게 다를 수 있기 때문입니다. 모든 양자 컴퓨팅 방식의 공통점은 큐비트를 주변 환경으로부터 고도로 격리해야 한다는 것입니다. 양자 정보는 매우 취약하며 외부 세계의 간섭에 매우 민감합니다. 초전도 및 광자 아키텍처에서 격리를 증가시키고 양자 특성을 유도하는 가장 일반적인 기술은 큐비트가 작동할 수 있는 극도로 차가운 극초고진공 환경을 만드는 것입니다. 냉각은 상대적으로 효율적으로 수행될 수 있지만, 이 극한 환경에서 큐비트를 정확하게 제어하는 데 필요한 에너지는 강렬하며 양자 컴퓨터의 크기에 따라 직접적으로 비례합니다. 2023년 IBM은 자사의 주력 양자 컴퓨터가 큐비트당 35와트를 필요로 한다고 밝혔습니다. IBM이 현재 에너지 요구 사항에서 로드맵에 있는 10,000 큐비트 시스템을 제공할 수 있다면, 시스템을 운영하는 데 3.5메가와트가 필요할 것입니다. 3.5메가와트는 약 3,000개의 평균 미국 가정을 전력 공급할 수 있습니다. 이러한 접근 방식이 고전 컴퓨터 산업이 직면한 에너지 위기를 재현할 수 있는 방법을 쉽게 알 수 있습니다.

 

 

IonQ에서는 원자 큐비트의 격리를 달성하기 위한 주요 메커니즘으로 진공을 사용합니다. 이는 다른 트랩 이온 접근 방식 및 중성 원자 아키텍처와 공통점이 있습니다. 양자 컴퓨터에 적용되는 진공 수준을 이해하려면 아래 차트를 참조하십시오.

 

하지만 이 양자 분야 내에서도 진공을 달성하고 유지하는 방법에는 중요한 차이점이 있습니다. 일반적으로 오늘날 양자 컴퓨팅에서 사용되는 접근 방식은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다:

 

진공 접근 방식

	작동 방식	장점	단점
실온 진공	제어된 환경에서 진공을 생성한 후 완전히 밀봉하여 진공을 유지합니다. 진공 펌프를 챔버에 적용하여 압력을 유지합니다.	- 헬륨과 같은 희귀하고 비싼 냉매에 의존하지 않습니다. - 컴퓨터 내에서 기계식 펌프를 사용하지 않고 구현할 수 있습니다. - 진공 시스템에 필요한 부품이 적고 작습니다.	- XHV 수준에 도달하기 어렵습니다.  - 유지보수 시 긴 예열 및 냉각 사이클이 필요합니다. - 진공 시스템에 더 많은 부품이 필요하여 복잡성과 잠재적인 고장 지점을 추가합니다.  - 기계식 펌프는 양자 시스템에서 진동/소음의 원인이 될 수 있습니다.  - 일반적으로 더 큰 진공 시스템이 필요합니다.
극저온 진공	챔버의 온도를 극도로 낮추어 펌프가 챔버에서 가스 입자를 지속적으로 제거할 수 있도록 돕습니다. - 개방형 극저온: 액체 헬륨과 같은 냉매를 냉각되는 물체에 지속적으로 적용하여 냉매 사용량이 많습니다.  - 폐쇄형 극저온: 액체 헬륨과 같은 냉매를 냉각되는 물체에 재활용하여 효율적이고 제한된 냉매 사용을 가능하게 합니다.	- XHV 수준에 도달하기 더 쉽습니다.	- 헬륨과 같은 희귀하고 비싼 냉매에 의존합니다.

초전도 시스템이 전자적 수단을 통해 큐비트를 비효율적으로 제어하는 것과 달리, IonQ는 광자를 사용하여 진공 챔버 내의 큐비트와 고전 제어 시스템을 연결합니다. 이 연결은 매우 에너지 효율적이며 양자 계산을 실행하는 데 필요한 에너지를 상당히 줄여줍니다. 더욱이, 이 제어 시스템은 매우 효율적으로 확장됩니다. 단일 AOD 제어 시스템은 동일한 에너지 프로파일로 많은 큐비트로 확장될 수 있습니다.

 

이로 인해 진공 챔버는 격리를 통해 큐비트 성능을 향상시키고 효율적인 진공을 적용하여 에너지 요구 사항을 줄이기 위한 핵심 연구 개발 영역으로 남아 있습니다. 수년 동안 IonQ는 상업 시스템에서 다양한 진공 접근 방식을 실험해 왔습니다. 첫 번째 상업 시스템인 IonQ Harmony는 실온 진공 챔버를 사용했습니다. 이후 시스템인 IonQ Aria와 IonQ Forte는 진공을 개선하고 그에 따라 큐비트 성능을 향상시키기 위해 폐쇄형 극저온 기술을 적용했습니다. 우리의 주요 진공 연구는 극초고진공과 실온 작동의 장점을 모두 갖춘 시스템을 설계하는 것입니다.

 

엔터프라이즈급 양자 컴퓨터 구축

양자 컴퓨팅에서 이러한 극한 환경을 추구함에 따라 이러한 시스템을 배포하기 위한 요구 사항이 고전 컴퓨터 요구 사항과 크게 다를 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 그러나 실온 진공 챔버 연구를 추구하는 것은 IonQ의 독특한 양자 컴퓨터 구축 접근 방식을 보여줍니다. 우리는 더 크고 성능이 높은 양자 컴퓨터를 개발하는 데 집중하고 있지만, 아마도 가장 중요한 것은 현재 및 미래 고객의 엔터프라이즈 요구 사항을 염두에 두고 있다는 것입니다.

 

우리는 규모와 성능을 추구하는 과정에서 고객의 요구를 타협하지 않기 위해 노력하고 있으며, 이를 엔터프라이즈급이라고 부릅니다.

IonQ의 XHV 연구

현재 시스템은 크라이오스탯을 사용하여 XHV를 달성하고 있습니다. 최근에는 소형화된 실온 XHV를 가능하게 하는 새로운 기술에 투자했습니다. 성공할 경우, 고객에게 많은 이점을 제공할 수 있을 것으로 믿습니다.

지금까지 이 솔루션을 구축하는 데 두 가지 주요 단계를 완료했습니다. 첫째, 제조 챔버를 개발했습니다. 이 챔버는 초고진공(UHV)에 도달할 수 있으며, 팀이 진공 챔버를 조립할 수 있을 만큼 충분히 큽니다.

조립 챔버는 2024년 2월에 개장한 시애틀 제조 시설에 위치해 있습니다. 이 조립 챔버는 소형화된 이온 트랩 패키지를 UHV 조건에서 밀봉하는 데 필요한 조작기를 갖추고 있습니다. 이를 통해 여러 펌핑 단계를 건너뛸 수 있으며, XHV 압력에만 직접적인 펌핑 메커니즘이 필요합니다. 이로 인해 이온 트랩 패키지의 폼 팩터가 상당히 줄어듭니다. 통합 히터는 이온 트랩 패키지 구성 요소를 효과적으로 베이크아웃할 수 있도록 하여, 종종 얻을 수 있는 진공 수준을 제한하는 갇힌 가스를 제거하기 위해 구성 요소를 고온으로 올립니다. 이온 트랩 패키지의 구성 요소는 로드 락 챔버에 로드되고 나중에 제거됩니다. 이는 반도체 산업에서 차용한 특수 기술로, 주요 조립 챔버가 영구적으로 UHV 압력을 유지할 수 있게 합니다.

IonQ UHV Assembly Chamber

 

 

다음으로, 제조 챔버에서 조립할 소형 이온 트랩 패키지를 설계했습니다. 이 이온 트랩 패키지는 움직이는 부품 없이 XHV를 달성할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 진공 펌프와 재료를 신중하게 선택함으로써 가능해졌습니다. 게터링 기술을 사용하여 전력을 소모하지 않는 수동 부품을 사용하여 높은 펌핑 속도를 제공합니다. 이온 펌프는 게터에 의해 펌핑되지 않은 가스를 포착합니다. 매우 깨끗한 재료만 사용되며, 각 구성 요소는 사용 전에 엄격한 자격 검사를 거칩니다. 이는 NASA, CERN 및 LIGO에서 수행된 연구와 유사합니다. 또한, 패키지를 밀봉하기 위해 최고 품질의 밀폐 조인트만 사용되며, 각 패키지는 정밀 누출 감지 기술을 사용하여 철저히 자격 검사를 받아야 합니다.

 

XHV를 달성하는 것은 그 자체로도 큰 도전이지만, 동시에 이온 트랩을 작동하는 것은 뛰어난 도전 과제를 제시합니다. 이온 트랩 패키지에는 레이저 냉각, 감지 및 큐비트 작업을 사용하여 이온을 조작하기 위한 광학 창이 통합되어 있습니다. 특수 전기 피드스루는 진공 품질을 방해하지 않고 이온 트랩의 많은 전극을 원활하게 작동할 수 있게 합니다. 최종 결과는 손에 들 수 있는 이온 트랩 양자 컴퓨터의 핵심입니다.

 

 

앞으로의 계획

다음으로, 우리는 이온을 포획하고 소형 패키지의 기본 작동 조건을 설정할 것입니다. XHV를 향한 추진 과정에서 설계와 프로세스를 계속 조정할 것입니다. 그리고 이것은 첫 번째 단계에 불과합니다. 우리는 이 기술의 전체 비전을 향해 계속 노력할 것이며, 이 기술을 양자 컴퓨팅 응용 프로그램에 사용하기 시작하기 위해 여러 흥미로운 이정표를 앞두고 있습니다.

 

출처: https://ionq.com/