IBM, 양자 프로세서 ‘퀀텀 나이트호크’ 공개 – 30% 더 복잡한 회로 실행

IBM, 양자 프로세서 ‘퀀텀 나이트호크’ 발표… 30% 더 복잡한 회로 가동

IBM이 기존 양자 프로세서보다 약 30% 더 복잡한 양자 회로를 실행할 수 있도록 설계된 차세대 양자 프로세서 ‘퀀텀 나이트호크(Quantum Nighthawk)’를 공개했다. 동시에 2026년 말까지 양자 우위(Quantum Advantage)를 달성하고, 2029년까지 오류 내성(Fault-tolerant) 양자 컴퓨팅을 현실화하겠다는 중장기 로드맵도 함께 발표했다.

· 프로세서 이름: IBM 퀀텀 나이트호크 (IBM Quantum Nighthawk)

· 큐비트 수: 120 큐비트

· 주요 특징: 사각 격자 구조, 차세대 조정형 커플러 218개, 향상된 연결성

· 목표 시점: 2026년 양자 우위, 2029년 대규모 오류 내성 양자 컴퓨터

IBM 퀀텀 나이트호크란? – 양자 우위를 노리는 차세대 프로세서

IBM은 미국에서 열린 연례 양자 개발자 컨퍼런스(Quantum Developer Conference)에서 퀀텀 나이트호크를 정식 공개했다. 이 프로세서는 단순히 큐비트 개수를 늘리는 수준이 아니라, 복잡한 회로를 얼마나 안정적으로, 얼마나 깊게 실행할 수 있는지에 초점을 맞춘 아키텍처다.

IBM 리서치 디렉터이자 펠로우인 제이 감베타(Jay Gambetta)는 “실질적으로 유용한 양자 컴퓨팅을 구현하려면 하드웨어·소프트웨어·제조·오류 수정 등 여러 요소가 동시에 발전해야 한다”고 강조하며, IBM이 이 전 영역을 아우르는 몇 안 되는 기업이라고 언급했다.

퀀텀 나이트호크는 특히 양자 컴퓨터가 고전적인 슈퍼컴퓨터보다 실제 문제에서 더 우수하다고 입증되는 시점, 즉 양자 우위(Quantum Advantage)를 가능하게 할 핵심 프로세서로 설계되었다. IBM은 이 프로세서를 2025년 말까지 서비스 사용자에게 제공할 계획이다.

120큐비트·218개 커플러 – 30% 더 복잡한 회로를 위한 설계

퀀텀 나이트호크는 120개의 큐비트(qubit)가 사각 격자(lattice) 구조 안에서 각각 네 개의 이웃 큐비트와 연결되는 구조를 채택했다. 이때 큐비트 간 상호작용을 담당하는 것이 차세대 조정형 커플러(tunable coupler)이며, 해당 프로세서에는 총 218개가 탑재된다.

이는 이전 세대인 IBM 퀀텀 헤론(Heron) 프로세서 대비 커플러 수가 약 20% 증가한 수치로, 큐비트 간 연결성이 향상되면서 더 깊은 회로, 더 복잡한 연산을 수행할 수 있게 된다. IBM은 이 구조 덕분에 기존 대비 약 30% 더 복잡한 회로를 낮은 오류율로 실행할 수 있다고 설명한다.

특히 나이트호크는 최대 5000개의 2큐비트 게이트(two-qubit gate)를 사용하는 고난도 계산 문제를 처리할 수 있도록 설계됐다. 2큐비트 게이트는 양자 컴퓨팅에서 얽힘(entanglement) 연산을 담당하는 핵심 연산이기 때문에, 이 수치가 높다는 것은 복잡한 양자 알고리즘을 실제로 돌릴 수 있는 기반이 마련된다는 의미다.

2026년까지 7,500·그 이후 15,000 게이트 – IBM의 양자 우위 로드맵

IBM은 퀀텀 나이트호크의 후속 버전들이 게이트 수와 큐비트 수를 단계적으로 확장할 것이라고 밝혔다. 구체적으로:

• 2026년 말: 최대 7,500개 2큐비트 게이트 지원 목표
• 2027년: 최대 10,000개 2큐비트 게이트 지원
• 2028년: 1,000개 이상의 큐비트가 원거리 커플러로 연결되어 최대 15,000개 2큐비트 게이트 지원

IBM은 이러한 확장을 통해 2026년 말까지 “검증 가능한 양자 우위(Verified Quantum Advantage)” 사례가 실제 연구 커뮤니티에 의해 입증될 것이라고 전망하고 있다. 이를 위해 Algorithmiq, Flatiron Institute, BlueQubit 등과 함께 오픈 커뮤니티 기반 ‘양자 우위 추적기(Quantum Advantage Tracker)’를 운영하며, 새로운 실험 결과와 벤치마크를 지속적으로 공유하고 있다.

이 플랫폼을 통해 전 세계 연구자들은 서로 다른 양자·고전 알고리즘의 성능을 비교하고, 양자 우위가 실제로 어디까지 진척됐는지 투명하게 검증할 수 있다.

키스킷(Qiskit)과 HPC – 소프트웨어·오류 완화 기반 강화

하드웨어만 발전해서는 실제 비즈니스·과학 문제를 풀기 어렵다. IBM은 자체 양자 소프트웨어 프레임워크인 키스킷(Qiskit)을 중심으로 동적 회로(dynamic circuits) 기능과 고성능 컴퓨팅(HPC) 연동을 강화하고 있다.

IBM에 따르면, 키스킷은 100개 이상의 큐비트 규모에서 동적 회로 기능을 확장해 약 24%의 정확도 향상을 달성했으며, 개발자가 회로 실행 과정에서 더 세밀한 제어를 할 수 있는 새로운 실행 모델과 C-API 기반 인터페이스를 제공한다.

또 하나의 핵심은 오류 완화(error mitigation)다. IBM은 HPC 가속 기반 오류 완화 기능을 통해 정확한 결과를 얻는 데 필요한 계산 비용을 100배 이상 절감했다고 설명한다. 이는 “양자만으로는 아직 부족한 부분”을 고전적 HPC 자원으로 보완하는 하이브리드 접근에 가깝다.

IBM은 앞으로 키스킷에 C++ 인터페이스를 추가해, 기존 HPC 환경에서 양자 프로그래밍을 보다 네이티브하게 수행할 수 있도록 하고, 2027년까지 머신러닝·최적화·미분방정식·해밀토니언 시뮬레이션 등 고난도 과학·공학 문제에 특화된 연산 라이브러리를 단계적으로 추가할 계획이다.

오류 내성 양자 컴퓨팅과 ‘퀀텀 룬(Loon)’ 프로세서

IBM의 최종 목표는 오류 내성 양자 컴퓨팅이다. 단순히 일부 연산에서 고전 컴퓨터보다 빠른 수준을 넘어, 대규모 계산을 오랜 시간 동안 안정적으로 수행할 수 있는 양자 시스템을 구축하는 것이다.

이번에 공개된 ‘IBM 퀀텀 룬(IBM Quantum Loon)’은 이러한 오류 내성 양자 컴퓨팅에 필요한 핵심 프로세서 구성 요소를 실제 칩 위에 구현했다는 점에서 중요한 마일스톤으로 평가된다.

룬에는 다음과 같은 기술들이 적용된다.

• 다층 고품질·저손실 라우팅 층을 도입해, 인접 커플러를 넘어 칩 상의 멀리 떨어진 큐비트를 직접 연결하는 원거리 온칩 연결(c-coupler) 구현
• 연산 중에도 큐비트를 다시 초기화할 수 있는 메커니즘을 도입해, 오류 수정 루프를 빠르게 반복 가능
• 실용적인 양자 오류 수정을 위한 새로운 아키텍처 검증

IBM은 여기에 더해, 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 코드를 활용해 기존 고전 컴퓨터 하드웨어만으로도 480나노초 이내에 오류 디코딩을 수행할 수 있음을 입증했다고 밝혔다. 이는 당초 계획보다 1년 앞서 달성한 성과로, 고속·고정밀 초전도 큐비트와 결합해 대규모 오류 내성 시스템으로 확장할 수 있는 기반이 된다.

제조·확장 전략 – 올버니 나노테크와 300mm 웨이퍼

양자 프로세서를 실험실 수준에서만 만드는 데 그치지 않고, 대량 제조·반복 개선이 가능한 체계를 갖추는 것도 중요하다.

IBM은 뉴욕에 위치한 올버니 나노테크 컴플렉스(Albany Nanotech Complex)의 첨단 300mm 웨이퍼 제조 시설을 기반으로 양자 프로세서를 생산하고 있다. 이 시설의 반도체 공정 라인을 활용해, IBM은 다음과 같은 목표를 추진 중이다.

• 새로운 프로세서 제작 시간 50% 이상 단축 → 연구·개발 주기 2배 가속
• 양자 칩의 물리적 복잡도 10배 증가 → 더 많은 큐비트·더 복잡한 연결 구조 수용
• 여러 설계 변형을 병렬로 실험하여 최적 구조를 빠르게 찾는 아키텍처 탐색

이러한 제조·공정 측면의 투자는 단순한 성능 향상을 넘어, 양자 하드웨어가 실제 산업용·상용 환경에서도 재현 가능한 품질을 제공할 수 있는지를 좌우하는 핵심 기반이 된다.

정리 – ‘양자 우위’에서 ‘오류 내성’까지 이어지는 장기 전략

이번 IBM의 발표는 단일 프로세서 스펙 공개를 넘어, 양자 우위 달성 → 오류 내성 양자 컴퓨팅 → 대규모 양자 시스템 제조로 이어지는 장기 전략의 한 가운데에 퀀텀 나이트호크와 룬을 배치했다는 점에서 의미가 크다.

요약하면 다음과 같다.

• 퀀텀 나이트호크: 120큐비트·218개 커플러를 탑재해 30% 더 복잡한 회로를 실행하도록 설계
• 단계적 확장: 2026년 7,500게이트, 2027년 10,000게이트, 2028년 15,000게이트 목표
• 소프트웨어·HPC 결합: 키스킷·C-API·오류 완화 기능으로 실제 문제 해결 가능성 확대
• 퀀텀 룬·qLDPC: 오류 내성 양자 컴퓨팅을 위한 핵심 요소를 실험적으로 입증
• 제조 역량: 300mm 웨이퍼 기반 생산으로 양자 칩 개발·확장을 가속화

아직 양자 컴퓨터가 모든 영역에서 고전 컴퓨터를 대체할 단계는 아니지만, 이번 로드맵과 프로세서 공개는 “언제, 어떤 방식으로” 양자 우위와 오류 내성 시스템이 현실화될지에 대한 구체적인 시간표를 제시했다는 점에서 주목할 만하다.