엔비디아·율리히, 104큐비트 양자 상태 준비 절차 시뮬레이션

엔비디아와 독일 율리히 슈퍼컴퓨팅센터 연구진이 양자컴퓨터의 핵심 연산 자원을 만드는 절차를 대규모 GPU로 모사했다. 엔비디아가 19일 CUDA-Q 공식 블로그에 공개한 내용에 따르면, 연구진은 슈퍼컴퓨터 JUPITER의 GH200 GPU 8192개를 이용해 총 104큐비트가 쓰이는 ‘매직 스테이트’ 준비 프로토콜을 시뮬레이션했다. 실제 양자컴퓨터를 가동한 결과가 아니라, 하드웨어 오류를 반영한 고전 컴퓨터 시뮬레이션이다.

매직 스테이트는 오류정정 양자컴퓨터에서 범용 양자 연산을 구현하는 데 필요한 특수한 양자 상태다. 이를 높은 품질로 준비하는 데 많은 자원이 들 수 있어, 제작 과정이 하드웨어의 불완전성에 어떻게 반응하는지 알아야 전체 시스템의 비용과 성능을 예측할 수 있다.

이번 모사의 대상은 작은 오류정정 코드에서 상태를 준비하고 오류를 검사한 뒤 보호 범위를 넓히는 ‘매직 스테이트 배양’ 절차다. 코드 거리 3의 컬러 코드에서 출발해 거리 7의 컬러·표면 코드 혼합 구성으로 확장했다. 오류 검출을 보강하는 플래그 측정도 포함했다. 104큐비트는 이 과정에 쓰이는 데이터 큐비트와 보조 큐비트를 합한 수다.

연구진은 무작위 비트·위상 반전만 가정하는 대신, 누적과 간섭을 일으킬 수 있는 위상 오류와 큐비트가 통상적인 두 계산 상태 밖으로 벗어나는 누설을 모델에 넣었다. 일부 위치는 세 번째 에너지 준위까지 표현했다. 단순화한 오류 모델로 놓칠 수 있는 동작을 살피려는 접근이다.

계산에는 엔비디아의 CUDA-Q와 cuQuantum을 사용했다. 측정이 끝난 큐비트의 저장 공간을 재사용하고, 여러 3준위 계를 이진 표현으로 묶어 메모리 부담을 줄였다. 따라서 104큐비트 전체의 상태 벡터를 한꺼번에 저장한 것은 아니다. 최대 실행에서 사용한 45비트 인코딩 레지스터는 약 35조2000억 개의 복소 진폭을 표현했으며, 배정밀도 상태 데이터만 분산 GPU 메모리 512TiB를 차지했다.

대규모 실행은 JUPITER에서, 소프트웨어 개발과 검증은 엔비디아 가속 양자연구센터에서 병행했다. 율리히의 공식 시스템 문서에 따르면 JUPITER는 GH200을 탑재한 GPU 중심 부스터 모듈을 운영한다. 엔비디아는 소규모 검증 회로에서 독립적인 상태 벡터 계산과 텐서 네트워크 계산의 측정 확률이 약 10의 마이너스 13승 수준까지 일치했다고 설명했다. 이는 소규모 검증 결과이며 104큐비트 실험 전체의 정확도를 같은 수치로 입증했다는 뜻은 아니다.

이번 작업의 초점은 양자 우위나 실용 양자컴퓨터의 완성이 아니라 설계 검증이다. 연구진은 정밀한 기준 시뮬레이션을 토대로 근사 계산법을 평가하고, 더 큰 실험의 메모리·실행시간·GPU 사용량을 미리 산정하는 데 활용할 계획이다. 서로 다른 누설 모델과 오류정정 절차를 비교하는 기반이지만, 실제 장치에서의 매직 스테이트 품질이나 응용 성능 향상까지 입증한 결과는 아니다.

출처: 엔비디아 CUDA-Q 공식 블로그 https://nvidia.github.io/cuda-quantum/blogs/blog/2026/10/19/jupiter-magic-state-simulation/
율리히 슈퍼컴퓨팅센터 JUPITER 공식 시스템 문서 https://www.fz-juelich.de/en/jsc/systems/supercomputers/jupiter
연구진 원문 ‘Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates’ https://arxiv.org/abs/2409.17595
연구진 원문 ‘Diagnosing and Restoring the Degraded Fault Distance of Magic State Cultivation’ https://arxiv.org/abs/2609.17706