고전 컴퓨터 활용하는 ‘하이브리드 잡’
큐비트는 노이즈에 매우 취약하기 때문에 노이즈로 발생할 수 있는 큐비트의 오류 정정이 필요하지만 현재의 양자 컴퓨터 기술 수준에서는 노이즈 영향을 제거하기 어렵다. 이렇게 노이즈를 포함한 중간 규모(50~100큐비트)의 양자 컴퓨터를 NISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum) 컴퓨터라 부른다. 

따라서 최근에는 NISQ 컴퓨터를 활용해 현실 문제를 해결할 수 있는 알고리즘 연구가 진행 중이다. 노이즈에 노출된 QPU의 한계 극복을 위해 고안된 것이 ‘하이브리드 잡(hybrid job)’이다. 

하이브리드 잡을 사용하면 양자 컴퓨팅 리소스뿐 아니라 고전 컴퓨터의 리소스를 모두 사용하는 하이브리드 알고리즘을 실행할 수 있게 된다. 하이브리드 잡을 통해 에러에 취약한 오늘날의 양자 컴퓨터에서 작은 큐비트로도 가능한 효율적인 계산을 수행할 있게 돼 양자 노이즈에 대한 충격을 최소화할 수 있게 된다. 이 경우 양자 컴퓨터는 보조 프로세서로서 양자의 힘으로만 풀 수 있는 계산을 수행하게 되며, 나머지 계산은 고전 컴퓨터에서 진행하게 된다.

이는 오늘날의 컴퓨터 시스템에서 기본적인 컴퓨팅 처리는 CPU에서 진행하고, 병렬 연산에 특화된 GPU가 그래픽이나 머신러닝 분산 트레이닝과 같이 행렬 연산에 특화된 계산을 수행하는 것과 유사한 개념이라 할 수 있다.

특정 문제의 최소 비용을 구하는 VQE(Variational Quantum Eigensolver)나 조합 최적화 문제를 다루는 QAOA(Quantum Approximate Optimization Algorithm)가 현시대의 양자 컴퓨터인 NISQ 컴퓨터 기반 하에 이러한 하이브리드 잡을 이용하는 대표적인 양자 알고리즘이다.

기본적으로 이러한 하이브리드 알고리즘 수행을 위해서는 필요한 인프라 및 소프트웨어를 직접 설치하고, 하이브리드 알고리즘이 수행되는 동안 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터 간의 상호 작용을 관리할 필요가 있다.

아마존 브라켓은 하이브리드 알고리즘을 실행할 수 있는 하이브리드 잡 기능을 제공하며, 하이브리드 잡 환경을 완전 관리형으로 지원하기 때문에 사용자는 빠르고 편리하게 하이브리드 환경을 구축할 수 있다. <그림 2>는 아마존 브라켓에서 제공하는 하이브리드 잡의 개념에 대해 설명하고 있다.

사용자가 하이브리드 알고리즘을 아마존 브라켓에 제출하면 제출된 사용자 알고리즘에서 CPU를 사용하는 영역은 컨테이너 환경에서 동작된다. 또한 하이브리드 작업에서 생성된 양자 태스크는 선택한 디바이스의 대기열에서 더 높은 우선순위를 갖는다.

즉 하이브리드 잡의 양자 태스크가 대기열에 있는 다른 작업보다 먼저 처리되고 실행된다. 

아마존 브라켓 하이브리드 잡 기능에는 체크포인트 기능도 있어 작업이 중단될 경우 중단된 부분부터 다시 시작할 수 있다. 하이브리드 환경에서도 양자 디바이스로서 양자 시뮬레이터와 QPU 모두 선택 가능하다.

[그림 1] 고전 컴퓨터 리소스 이용하는 하이브리드 잡 개념

아마존 브라켓 접근성 강화한 ‘아마존 브라켓 다이렉트’
AWS는 아마존 브라켓 사용자의 사용 친화성을 강화하기 위해 아마존 브라켓 다이렉트(Braket Direct)라는 서비스를 2023년 하반기에 새롭게 선보였다. 아마존 브라켓 다이렉트 서비스는 크게 다음과 같이 3가지로 구성된다.

1. 고객이 원하는 QPU 자원을 사전 예약을 통해 사용 가능하다. 지금까지는 자신의 양자 알고리즘을 제출했을 때 즉시 원하는 QPU 리소스에 접근하는 것이 상대적으로 어려웠으나 이 서비스를 통해 원하는 시간대에 원하는 양자 하드웨어 사용이 가능해졌다.

현재 아이온큐(IONQ) 아리아(Aria), 아이큐엠(IQM) 가넷(Garnet), 큐에라(QuEra) 아킬라(Aquila), 리게티(Rigetti)의 아스펜-M-3(Aspen-M-3)와 같은 4가지 QPU에 대한 사전 예약이 가능하다.

2. 사전 신청을 통해 아마존 브라켓 및 개별 QPU 전문가의 지원을 제공한다. 글로벌의 아마존 브라켓 전문가와의 오피스 아워 및 핸즈온(hands-on) 지원도 제공되며, 개별 QPU에 대한 심도 있는 기술 지원이 필요한 경우 신청을 통해 진행이 가능하다.

3. 사전 예약을 통해 아이온큐의 최신 QPU인 포르테(Forte)를 사용할 수 있다.

아마존 브라켓 사용 비용
아마존 브라켓 사용 시 특정 양자 하드웨어 사용에 대한 선결제를 요구하지 않으며, 다른 AWS 클라우드 서비스와 동일하게 사용한 양자 컴퓨팅 리소스에 대해서만 과금된다. 아마존 브라켓 사용으로 인해 발생할 수 있는 예상 비용 항목은 QPU, 온디맨드 시뮬레이터, 하이브리드 잡, 아마존 브라켓 다이렉트, 주피터 노트북이 동작하는 아마존 EC2 인스턴스 비용 등으로 구분할 수 있다. 

QPU 비용 청구는 샷당 요금과 태스크당 요금이라는 두 가지로 구성된다. 참고로 태스크당 요금은 모든 QPU에서 동일하며, 샷당 가격은 QPU 유형에 따라 서로 다르다. QPU를 사전 예약해 사용할 경우 기존 방식과는 다르게 예약 기간에 대해서만 시간당 요금이 부과된다. 온디맨드 시뮬레이터 사용 비용은 별도의 샷 및 태스크당 비용 없이 각 시뮬레이션 작업의 기간을 기준으로 분당 요금이 청구된다. 

하이브리드 잡은 사용된 양자 디바이스 비용과 함께 고전 컴퓨터용으로 사용된 아마존 EC2 인스턴스의 비용이 청구된다. 브라켓 다이렉트 서비스는 아마존 브라켓 서비스에 대한 오피스 아워는 무료로 이용 가능하지만 개별 QPU에 대한 지원을 요청할 경우에는 고객 요청 범위에 따라 비용이 달라진다.

이외에도 양자 계산 결과가 저장되는 아마존 S3 및 사용자가 아마존 브라켓과 연동을 위해 사용하는 AWS 서비스에 대한 비용이 추가 발생할 수 있다. 아마존 브라켓에 대한 자세한 비용 체계는 AWS 웹사이트에서 확인할 수 있다.

또한 아마존 브라켓은 AWS 프리 티어 서비스에 포함돼 있기 때문에 사용자는 첫 12개월 동안 SV1, DM1, TN1 또는 이 세 가지 온디맨드 양자 회로 시뮬레이터를 조합한 시뮬레이션에 대해 매월 1시간 무료 사용이 가능해 학습을 위한 비용 부담을 줄인다.

[그림 2] 아마존 브라켓에서 제공하는 하이브리드 잡 개념도

아마존 브라켓 활용 고객 사례 
현재 유수의 글로벌 고객들이 자사의 비즈니스 문제를 해결하기 위해 아마존 브라켓을 사용하고 있다. 다음의 몇 가지 글로벌 기업의 아마존 브라켓 활용 사례를 공유한다. 고성능 컴퓨팅 환경이 기업 경쟁력 확보에 큰 영향을 미치는 금융 산업은 일찍부터 양자 컴퓨팅에 많은 관심을 가져 온 대표적인 산업이다. 

세계 최대 규모의 종합 금융기업 제이피모건(J.P.Morgan)은 자사의 포트폴리오 최적화 작업을 수행하기 위해 QAOA 알고리즘을 아마존 브라켓에서 제공하는 하이브리드 잡을 통해 사용하고 있으며, 아마존 브라켓 사용에 대한 관제 및 비용 모니터링을 위해 아마존 클라우드와치(CloudWatch) 및 AWS 코스트 매니지먼트(Cost Management) 서비스와 연계하고 있다.

미국의 유력 금융 투자사인 골드만삭스(Goldman Sachs)는 이미 수년 전부터 자사의 R&D팀을 통해 양자 알고리즘을 개발해오고 있으며, 매우 빠른 속도로 복잡한 금융 상품에 대한 가격 책정에 이를 이용하고자 하고 있다. 골드만삭스 역시 계산 복잡도가 매우 높은 포트폴리오 최적화 작업에 양자 컴퓨팅을 적용했을 때 어떤 영향을 미치는지 알고 싶어했다. 이를 위해 AWS와 협업해 포트폴리오 최적화에 대한 선도적인 양자 접근 방식인 QIPM(Quantum Interior Point Method)에 대한 종합 리소스 추정 작업을 수행했다.

글로벌 자동차 OEM인 BMW는 전기차용 첨단 소재 개발 및 트래픽 최적화를 위해 양자 컴퓨팅을 적극 활용하고 있다. BMW는 2022년 아마존 퀀텀 솔루션 랩과 함께 공장에서 발생하는 어렵고 도전적인 문제들을 살폈고, 양자 컴퓨팅을 이용해 해결하기에 적합할 수 있다고 생각하는 부분 집합을 식별 했다.

이러한 문제를 해결하기 위해 양자 챌린지를 개최해 최종 4개의 공개 연구 과제를 선정했다. 2024년에도 아마존 퀀텀 솔루션 랩, 에어버스(Airbus)와 함께 4개의 산업 활용 사례에 대한 연구 과제를 전 세계 연구 그룹을 대상으로 모집한 바 있다.

아마존 브라켓으로 손쉽게 양자 컴퓨터 접근 가능
지금까지 3회에 걸쳐 양자 컴퓨터에 대한 전반적인 내용 소개와 함께 AWS에서 제공하는 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스인 아마존 브라켓에 대해 소개했다. 클라우드 기반의 양자 서비스를 통해 양자 관련 전문 인력뿐 아니라 일반인도 인터넷 환경을 통해 손쉽게 양자 컴퓨터에 접근이 가능하게 됐다.

사용자는 아마존 브라켓을 다양한 방식의 양자 하드웨어에 대한 단일 접근 환경으로 사용함으로써 특정 알고리즘에 대한 다양한 방식의 QPU간 상호 비교 테스트도 가능하다. 아마존 브라켓은 타 양자 하드웨어 업체와 달리 장기 계약없이 사용량 기반으로 과금되기 때문에 합리적인 가격으로 고비용의 양자 하드웨어를 이용할 수 있다.

또한 아마존 브라켓이 제공하는 다양한 방식의 시뮬레이터를 통해 사용자의 알고리즘을 사전에 검증해 볼 수 있다는 장점이 존재하기 때문에 양자 전문인력 및 양자 기술에 관심이 있는 일반인에게 양자 기술에 접근해 볼 수 있는 가장 기본적인 도구로 아마존 브라켓을 적극 추천한다.

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