MicroCloud Hologram Inc. FPGA 기반 고성능 표면 코드 양자 시뮬레이션 플랫폼: 회전된 레이아웃에서의 효율적인 오류 수정 알고리즘 검증

MicroCloud Hologram Inc.(NASDAQ: HOLO), 양자 컴퓨팅 기술 서비스 제공업체인 이 회사가 FPGA 기반 표면 코드 양자 시뮬레이터를 개발했다고 밝혔습니다. 이번에 개발된 시뮬레이터는 특히 회전된 표면 코드에 최적화된 설계를 통해 양자 오류 수정 시뮬레이션 분야에서 새로운 이정표를 세웠습니다. 양자 하드웨어 및 시뮬레이션 솔루션에 집중하는 MicroCloud Hologram은 이번에 출시된 시뮬레이터에 FPGA(Field-Programmable Gate Array)의 고도의 병렬 처리 능력, 재구성 가능한 하드웨어 아키텍처, 뛰어난 연산 성능과 같은 고유한 장점을 최대한 활용했습니다. 양자 오류 수정은 실용적인 양자 컴퓨팅 구현의 핵심 과제 중 하나이며, 표면 코드는 높은 임계값, 확장성, 2차원 격자 구조로 인해 효율적인 양자 오류 수정 방식으로 각광받고 있습니다. 그러나 기존의 시뮬레이션 방법은 종종 연산 자원의 한계로 인해 대규모 표면 코드 시뮬레이션이 극도로 복잡했습니다. MicroCloud Hologram의 새로운 시뮬레이터는 FPGA 하드웨어 가속을 통해 이러한 병목 현상을 극복하고 연구원 및 엔지니어에게 실시간 고충실도 시뮬레이션 환경을 제공합니다. MicroCloud Hologram은 FPGA 기술과 양자 오류 수정 알고리즘을 깊이 통합하는 데 전념하고 있습니다. 이 시뮬레이터의 핵심은 회전된 거리 표면 코드의 정밀한 모델링에 있습니다. 회전된 거리 표면 코드는 기존 표면 코드 레이아웃을 회전시켜 큐비트 배치를 최적화하는 변형된 형태로, 높은 오류 수정 능력을 유지하면서 필요한 물리적 큐비트 수를 줄입니다. 이 설계는 제한된 자원을 가진 양자 시스템에 특히 적합하며, 더 작은 코드 거리로도 동등한 오류 수정 성능을 달성할 수 있습니다. 이 기술의 중요성을 이해하기 위해서는 먼저 양자 컴퓨팅의 기본 원리를 파악해야 합니다. 양자 컴퓨팅은 양자 비트(큐비트)의 중첩 및 얽힘 특성을 활용하여 정보를 처리합니다. 고전 비트와 달리 큐비트는 여러 상태에 동시에 존재할 수 있어 지수적인 연산 가속을 가능하게 합니다. 그러나 양자 시스템은 비트 플립 또는 위상 오류와 같은 노이즈 간섭에 매우 취약하여 신뢰할 수 없는 연산 결과를 초래할 수 있습니다. 양자 오류 수정 코드는 중복 인코딩을 통해 논리 큐비트를 여러 물리적 큐비트에 매핑하여 오류를 감지하고 수정함으로써 이 문제를 해결하도록 특별히 설계되었습니다. 표면 코드는 큐비트를 2차원 격자에 배열하고 보조 큐비트를 사용하여 안정자(stabilizers)를 측정하는데, 이 안정자는 코드의 정의 연산자로, 양자 정보를 파괴하지 않고 오류를 식별하는 데 사용됩니다. 표면 코드의 최적화된 버전인 회전된 거리 표면 코드는 효율성을 더욱 향상시킵니다. 기존 표면 코드에서 코드 거리(distance)는 코드가 수정할 수 있는 오류 수를 정의하며, 일반적으로 홀수 거리 코드를 달성하기 위해 정사각형 격자가 필요합니다. 예를 들어, 거리 3의 표면 코드는 하나의 논리 큐비트를 인코딩하기 위해 25개의 물리적 큐비트가 필요합니다. 그러나 회전된 거리 표면 코드는 격자를 45도 회전하고 경계 조건을 조정하여 더 적은 수의 큐비트로 동일한 코드 거리를 달성합니다. 구체적으로, 거리 d의 회전된 코드의 경우 (d²+ 1)/2개의 데이터 큐비트와 (d²- 1)/2개의 보조 큐비트만 필요하여 표준 표면 코드에 비해 리소스가 거의 절반으로 절약됩니다. 이러한 리소스 절약은 현재 양자 칩의 큐비트 수가 제한적이고 제조 비용이 높은 실제 양자 하드웨어에서 매우 중요합니다. MicroCloud Hologram의 시뮬레이터는 이 회전된 코드에 대해 특별히 최적화되어 시뮬레이션 프로세스가 회전된 레이아웃으로 인해 발생하는 고유한 오류 수정 역학을 정확하게 포착할 수 있도록 보장합니다. FPGA는 이 시뮬레이터에서 필수적인 역할을 합니다. FPGA는 사용자가 하드웨어 설명 언어(Verilog 또는 VHDL 등)를 통해 회로 로직을 사용자 정의할 수 있는 프로그래밍 가능한 하드웨어입니다. 범용 프로세서와 달리 FPGA는 순차적 스케줄링 없이 여러 연산을 병렬로 실행할 수 있습니다. 이는 양자 시스템의 병렬 특성을 시뮬레이션하는 데 특히 적합합니다. MicroCloud Hologram의 구현에서 시뮬레이터는 표면 코드의 격자 구조를 FPGA의 로직 유닛(LUT 및 FF)에 매핑합니다. 각 큐비트의 상태는 진폭 또는 확률 정보를 저장하는 레지스터 그룹으로 표현됩니다(고전 시뮬레이션에서 양자 상태는 일반적으로 복소 벡터로 표현됨). 오류 수정 알고리즘의 핵심인 안정자 측정은 병렬 회로 모듈로 구현되어 여러 안정자의 연산을 동시에 처리하여 오류 증후군 추출을 가속화할 수 있습니다. 기술 구현 로직은 전체 아키텍처에서 시작됩니다. 시뮬레이터의 하드웨어 프레임워크는 수백만 개의 로직 유닛과 고속 메모리 인터페이스를 제공하는 고차 FPGA 칩을 기반으로 합니다. 먼저, MicroCloud Hologram은 사용자 입력 코드 거리 및 회전 매개변수에 따라 표면 코드 레이아웃을 동적으로 구성하는 재구성 가능한 그리드 생성기 모듈을 설계했습니다. 회전된 거리 코드의 경우 그리드는 표준 사각형이 아니라 다이아몬드 또는 회전된 정사각형 모양이며, 경계의 큐비트는 가장자리 효과를 줄이기 위해 최적화됩니다. 생성기는 매개변수화된 Verilog 코드를 사용하여 큐비트 배열을 인스턴스화하여 레이아웃 유연성을 보장합니다. 다음은 상태 초기화 모듈로, 초기 오류를 시뮬레이션하거나 얽힌 상태를 준비하기 위해 X, Z 또는 Y 게이트를 적용하는 것을 포함하여 물리적 큐비트에 논리 큐비트의 초기 상태를 인코딩합니다. 시뮬레이션 프로세스의 핵심은 오류 주입 및 오류 수정 루프입니다. MicroCloud Hologram의 시뮬레이터는 디폴라라이징 노이즈 또는 비트 플립 노이즈와 같은 다양한 노이즈 모델을 지원하며, 이는 FPGA에서 난수 생성기를 통해 구현됩니다. 난수 생성기는 FPGA의 내장된 실제 난수 소스(링 발진기 등)를 활용하여 노이즈의 진정성을 보장합니다. 오류 주입 후 보조 큐비트는 안정자를 측정하며, 이러한 측정은 병렬로 실행됩니다. 각 안정자는 패리티 검사를 계산하는 전용 회로 경로에 해당합니다. 측정 결과는 오류 증후군, 즉 오류의 위치와 유형을 나타내는 비트 문자열을 형성합니다. 증후군 디코딩은 오류 수정의 핵심 단계이며, MicroCloud Hologram은 증후군을 디코딩하기 위해 최소 가중치 완벽 매칭(MWPM) 알고리즘을 채택합니다. 이 알고리즘은 FPGA에서 병렬 버전으로 최적화되어 변형을 사용하여 매칭 경로를 찾고 지연 시간을 크게 줄입니다. 성능 벤치마크 테스트에서 MicroCloud Hologram의 시뮬레이터는 두드러진 성능을 보여줍니다. GPU 기반 시뮬레이터와 비교하여 거리 5 회전 코드 시뮬레이션 시 5배 이상의 속도 향상을 달성하면서 전력 소비는 30% 감소했습니다. 이는 FPGA의 전용 회로가 GPU의 일반적인 스케줄링 오버헤드를 피하기 때문입니다. 더 중요한 것은 시뮬레이터가 실시간 피드백 루프를 지원하여 사용자가 사용자 정의 오류 패턴을 주입하고 오류 수정 효과를 즉시 관찰할 수 있다는 점인데, 이는 양자 알고리즘 디버깅에 매우 중요합니다. 예를 들어, 쇼어 알고리즘 또는 그로버 검색을 시뮬레이션할 때 표면 코드 오류 수정은 내결함성을 보장하기 위해 원활하게 통합될 수 있습니다. FPGA 구현에서 안정자 측정은 곱셈-누산 회로에 매핑됩니다. 양자 시뮬레이션은 고전적이기 때문에 상태는 확률 분포로 표현되지만, 소규모의 경우 파동 함수 시뮬레이션을 사용할 수 있습니다. MicroCloud Hologram은 여러 실행 인스턴스를 평균화하여 오류율을 추정하기 위해 몬테카를로 방법을 선택했습니다. 이를 위해서는 FPGA가 선형 피드백 시프트 레지스터(LFSR)를 통해 의사 난수 시퀀스를 생성하여 효율적인 난수 샘플링 기능을 가져야 합니다. 시뮬레이터는 측정 오류 및 게이트 오류를 포함한 내결함성 시뮬레이션도 지원합니다. 다단계 연결 코드를 사용하여 중첩된 표면 코드를 시뮬레이션함으로써 내결함성이 더욱 향상됩니다. MicroCloud Hologram의 FPGA 기반 표면 코드 양자 시뮬레이터는 양자 컴퓨팅 분야의 혁신을 나타냅니다. 이는 양자 시뮬레이션에서 FPGA의 잠재력을 보여줄 뿐만 아니라 내결함성 양자 컴퓨터 구현을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 기술이 성숙함에 따라 양자 혁명의 가속화를 목격할 수 있을 것으로 기대됩니다. MicroCloud Hologram Inc. (NASDAQ: HOLO)는 홀로그램 기술의 연구 개발 및 응용에 전념하고 있습니다. 회사의 홀로그램 기술 서비스에는 홀로그램 기술 기반의 홀로그램 라이다(LiDAR) 솔루션, 홀로그램 라이다 포인트 클라우드 알고리즘 아키텍처 설계, 기술 홀로그램 이미징 솔루션, 홀로그램 라이다 센서 칩 설계, 홀로그램 차량 지능형 비전 기술이 포함되며, 홀로그램 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)을 제공하는 고객에게 서비스를 제공합니다. MicroCloud Hologram Inc.는 전 세계 고객에게 홀로그램 기술 서비스를 제공합니다. 또한 홀로그램 디지털 트윈 기술 서비스를 제공하며 독점적인 홀로그램 디지털 트윈 기술 리소스 라이브러리를 보유하고 있습니다. 회사의 홀로그램 디지털 트윈 기술 리소스 라이브러리는 홀로그램 디지털 트윈 소프트웨어, 디지털 콘텐츠, 공간 데이터 기반 데이터 과학, 홀로그램 디지털 클라우드 알고리즘, 홀로그램 3D 캡처 기술의 조합을 활용하여 3D 홀로그램 형태로 모양과 객체를 캡처합니다. MicroCloud Hologram Inc.는 양자 컴퓨팅 및 양자 홀로그래피와 같은 개발에 중점을 두고 있으며, 현금 보유액은 30억 위안을 초과하며, 현금 보유액에서 4억 달러 이상을 투자할 계획입니다.