양자컴퓨터는 QPU 하나만으로 동작하지 않습니다. Host Computer, Compiler, Control Electronics, QPU, Readout, Decoder가 어떤 순서로 동작하는지 시스템 블록도 관점에서 설명합니다.
양자컴퓨터 사진을 보면 황금색의 거대한 냉각장치나 작은 양자칩이 가장 먼저 눈에 들어옵니다.
하지만 실제 양자컴퓨터는 QPU 하나만으로 동작하지 않습니다.
기존 컴퓨터와 마찬가지로 소프트웨어, 제어 전자회로, 센서와 측정회로, 신호처리 시스템이 함께 동작합니다.
시스템 구조를 단순화하면 다음과 같습니다.
사용자 프로그램
↓
Quantum SDK / Compiler
↓
Circuit Optimization / Mapping
↓
Control Processor
↓
Waveform Generation
↓
QPU
↓
Readout
↓
ADC / Signal Processing
↓
Decoder / Classical Processing
↓
결과 및 Feedback
1. 사용자 프로그램
가장 위에는 사용자가 작성한 양자 프로그램이 있습니다.
예를 들어 Qiskit 같은 SDK에서 다음과 같은 회로를 만들 수 있습니다.
q0 ─ H ─■─ M
│
q1 ─────X─ M
H gate로 첫 번째 큐비트를 중첩 상태로 만든 뒤 CNOT을 적용하면 두 큐비트의 Bell state를 만들 수 있습니다.
하지만 실제 QPU는 'H'나 'CNOT'이라는 문자를 이해하는 것이 아닙니다.
2. Compiler와 Transpiler
사용자가 만든 추상적인 quantum circuit을 실제 하드웨어가 실행할 수 있도록 변환해야 합니다.
실제 QPU마다
큐비트 연결 구조
지원 gate
gate error
readout error
calibration
이 다릅니다.
따라서 compiler 또는 transpiler는 논리적인 회로를 실제 hardware topology에 맞게 변환합니다.
3. Control Processor
그 다음 단계가 실제 하드웨어를 제어할 명령을 만드는 부분입니다.
초전도 QPU를 예로 들면 gate 하나는 실제로 microwave pulse sequence로 변환됩니다.
이때 제어해야 할 것은 단순히 ON/OFF가 아닙니다.
Frequency
Amplitude
Phase
Pulse width
Timing
을 매우 정확하게 제어해야 합니다.
4. DAC/AWG와 RF 회로
디지털 명령은 실제 아날로그 waveform으로 변환됩니다.
AWG(Arbitrary Waveform Generator)나 고속 DAC가 pulse를 생성하고 필요한 경우 mixer와 RF 회로를 통과합니다.
이 신호가 cable을 통해 QPU로 전달됩니다.
5. QPU
QPU는 실제 양자 연산을 수행하는 부분입니다.
초전도, 이온트랩, 중성원자 등 플랫폼에 따라 QPU의 구조는 크게 달라집니다.
| 초전도 | Microwave / Flux |
| 이온트랩 | Laser |
| 중성원자 | Laser / Optical Tweezer |
| 광자 | Optical circuit |
| Spin | Microwave / RF / Electrical gate |
하지만 공통적으로 큐비트의 양자 상태를 제어해 원하는 gate sequence를 실행한다는 목적은 같습니다.
6. Readout
연산이 완료되면 양자 상태를 고전적인 데이터로 변환해야 합니다.
초전도 방식에서는 readout resonator를 이용해 microwave 신호의 변화를 측정하는 방식이 널리 사용됩니다.
측정 결과는 결국 아날로그 전기신호가 됩니다.
7. ADC와 Signal Processing
아날로그 신호를 컴퓨터가 처리하려면 디지털 값으로 변환해야 합니다.
ADC를 거친 후 FPGA, DSP 또는 processor에서 신호를 분석합니다.
여기서
0인지
1인지
판정합니다.
즉,
Quantum State
→ Analog Signal
→ Digital Signal
→ Classical Bit
로 변환되는 과정입니다.
8. Error Decoder
오류정정 양자컴퓨터에서는 한 단계가 더 중요합니다.
Surface Code 같은 방식을 사용할 경우 반복 측정한 syndrome data가 발생합니다.
이 데이터를 classical decoder가 분석하여 어떤 위치에서 오류가 발생했을 가능성이 높은지 판단합니다.
따라서 미래의 양자컴퓨터는
Quantum Processor만 빠르면 되는 시스템이 아니라
Quantum Processing + High-speed Classical Processing
이 결합된 구조가 됩니다.
양자컴퓨터의 실제 시스템 구조
전체 구조를 다시 그려보면 다음과 같습니다.
[User Algorithm]
↓
[Quantum SDK]
↓
[Compiler / Transpiler]
↓
[Control CPU / FPGA]
↓
[DAC / AWG / RF or Laser Control]
↓
[QPU]
↓
[Readout Front End]
↓
[ADC]
↓
[FPGA / Signal Processing]
↓
[QEC Decoder]
↓
[Feedback / Result]
이 구조를 이해하면 양자컴퓨터 산업이 단순히 '양자칩 산업'이 아니라는 것을 알 수 있습니다.
고속 ADC/DAC
RF 부품
FPGA
Cryogenic electronics
Laser
Optics
Packaging
Control software
Compiler
Decoder
등 매우 다양한 기술이 필요합니다.
개인적으로 양자컴퓨터를 공부할 때 알고리즘뿐 아니라 이 Block Diagram을 같이 보면 전체 시스템을 이해하기가 훨씬 쉽습니다.
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