양자컴퓨팅에서 칩 자체보다 많은 전력을 사용하는 부분은 희석냉동기와 헬륨 압축기, 진공펌프, 제어전자장치입니다. 현재 장비는 전체 구성에 따라 수십 kW가 필요한데요. 얼마나 많은 전력을 먹는지 에너지 소비효율을 올리는 방법은 있는지 아래글을 보시죠
양자컴퓨팅 장비 전력소비의 핵심 정리
양자컴퓨터가 사용하는 전력은 큐비트 칩에 직접 전달되는 전력과 전체 장치를 운영하기 위해 벽면 콘센트에서 끌어오는 전력을 구분해서 봐야 합니다. 초전도 큐비트에 도달하는 제어신호는 매우 작지만, 큐비트를 절대영도에 가까운 온도로 유지하는 냉각장치와 제어전자장치는 훨씬 많은 전력을 사용합니다.
현재 상용·연구용 양자컴퓨터의 전체 전력소비는 제조사와 큐비트 방식, 희석냉동기의 크기, 제어채널 수와 시설 냉각방식에 따라 크게 달라집니다. 구성요소의 공개사양을 기준으로 보면 단일 초전도 양자시스템도 10킬로와트를 쉽게 넘을 수 있으며, 모든 주변장치를 포함하면 수십 킬로와트 규모가 될 수 있습니다.
다만 수십 킬로와트라는 수치는 모든 양자컴퓨터에 공통으로 적용되는 공식 규격이 아닙니다. 희석냉동기의 압축기 한 대가 약 8~11킬로와트를 사용하고, 여기에 헬륨 순환펌프와 제어장비, 서버와 냉각수 설비가 더해진다는 점을 바탕으로 한 시스템 규모의 추정치입니다.[1]
| 전력소비 구간 | 소비 규모의 특징 | 주요 장비 |
|---|---|---|
| 밀리켈빈 단계 | 허용되는 열은 마이크로와트 수준 | 양자프로세서, 필터와 극저온 부품 |
| 수 켈빈 단계 | 수 와트 이하의 냉각능력 | 저온 증폭기와 극저온 제어회로 |
| 실온 냉각장치 | 압축기 한 대가 약 8~11kW | 펄스튜브 압축기와 냉각수 장치 |
| 실온 제어전자장치 | 고밀도 제어장치 한 섀시가 약 1.5kW | 파형발생기, ADC·DAC와 신호처리기 |
| 보조 인프라 | 구성에 따라 수 kW 이상 추가 | 진공펌프, 서버, 네트워크와 UPS |
| 미래 내결함성 시스템 | 대규모 시스템은 MW급 가능성 | 다수 냉동기와 논리 큐비트 제어시설 |
전력과 전력사용량은 무엇이 다를까
전력은 장비가 특정 순간에 사용하는 에너지의 속도를 나타내며 와트와 킬로와트로 표시합니다. 전력사용량은 일정한 시간 동안 소비한 전체 에너지로 킬로와트시를 사용합니다.
10킬로와트의 장비를 1시간 가동하면 10킬로와트시를 사용합니다. 양자컴퓨터는 냉각온도를 유지하기 위해 계산하지 않는 시간에도 냉동기와 펌프를 계속 운전하는 경우가 많으므로 순간적인 계산시간보다 24시간 유지전력이 중요할 수 있습니다.
| 연속 사용전력 | 하루 전력사용량 | 30일 전력사용량 |
|---|---|---|
| 10kW | 240kWh | 7,200kWh |
| 50kW | 1,200kWh | 36,000kWh |
| 100kW | 2,400kWh | 72,000kWh |
| 2MW | 48,000kWh | 1,440,000kWh |
실제 전기요금은 국가와 계약전력, 시간대별 요금과 최대수요전력에 따라 달라집니다. 양자컴퓨팅 시설의 비용을 계산할 때는 단순한 월간 사용량뿐 아니라 피크전력과 냉각수, 유지보수비용도 함께 확인해야 합니다.
큐비트 칩 자체는 얼마나 많은 전력을 사용할까
초전도 큐비트는 수 기가헤르츠의 마이크로파 펄스로 제어됩니다. 실온에서 만들어진 펄스는 희석냉동기의 여러 단계에 설치된 감쇠기를 거치면서 크게 약해진 뒤 큐비트에 도달합니다.
밀리켈빈 단계에서는 아주 작은 열도 온도를 올릴 수 있기 때문에 큐비트 칩에 직접 전달되는 전력은 극도로 제한됩니다. 최신 희석냉동기의 20밀리켈빈 냉각능력도 약 12~14마이크로와트 수준인 제품군이 있습니다.[2]
이는 양자프로세서 전체가 수십 킬로와트를 열로 방출한다는 뜻이 아닙니다. 실제 칩과 극저온 부품이 발생시키는 열은 마이크로와트 영역 안에서 관리해야 하지만, 그 작은 열을 절대영도에 가까운 환경에서 제거하기 위해 실온 냉각장치가 수 킬로와트 이상의 전력을 소비합니다.
작은 열을 제거하는 데 큰 전력이 필요한 이유
냉장고와 에어컨은 차가운 공간의 열을 더 따뜻한 외부로 이동시키기 위해 전기를 사용합니다. 목표온도가 낮아질수록 같은 양의 열을 제거하는 데 더 많은 일이 필요하며 냉각효율도 급격히 낮아집니다.
실내온도에서 냉장고 내부까지 열을 옮기는 것과 약 20밀리켈빈에서 실온까지 열을 옮기는 것은 난이도가 크게 다릅니다. 양자컴퓨터의 희석냉동기는 펄스튜브와 헬륨 압축, 진공과 헬륨-3 순환을 여러 단계로 결합해 작은 열을 제거합니다.
공개된 극저온 압축기 사양을 보면 약 0.9와트의 4.2켈빈 냉각능력을 제공하는 장치가 정상운전 시 약 8~9킬로와트를 소비합니다. 1.35와트의 4.2켈빈 냉각능력을 가진 더 큰 장치는 약 10킬로와트 전후를 사용합니다.[1]
압축기의 전력과 최저온도 냉각능력을 단순하게 나눠 전체 효율이라고 계산해서는 안 됩니다. 4켈빈 냉각과 밀리켈빈 희석단계는 서로 다른 공정이며 헬륨 순환펌프와 열교환기 등 추가 장치가 있기 때문입니다. 다만 극저온에서 제거 가능한 열과 실온에서 필요한 전력 사이의 규모 차이를 이해하는 데 도움이 됩니다.
펄스튜브 압축기가 가장 큰 전력을 사용하는 이유
건식 희석냉동기는 펄스튜브 냉각기를 이용해 실온에서 약 50켈빈과 4켈빈까지 먼저 냉각합니다. 실온에 설치된 압축기가 헬륨 기체를 반복적으로 압축하고 팽창시켜 저온부의 열을 외부로 이동시킵니다.
고성능 희석냉동기에는 한 개 이상의 펄스튜브 냉각기가 사용될 수 있습니다. 하나의 압축기가 약 8~11킬로와트를 사용한다면 냉각기를 여러 개 사용한 대형 시스템에서는 압축기만으로도 수십 킬로와트가 필요할 수 있습니다.
IBM이 연구용으로 제작한 대형 Goldeneye 극저온 시스템은 최대 여섯 개의 희석냉동 유닛을 설치할 수 있도록 설계됐습니다. 이는 대형 양자시스템의 전력과 냉각 인프라가 단일 실험용 희석냉동기보다 훨씬 커질 수 있음을 보여줍니다.[3]
헬륨 순환과 진공펌프도 계속 전력을 사용한다
희석냉동기는 헬륨-3이 혼합실에서 헬륨-4가 많은 희석상으로 이동할 때 열을 흡수하는 원리를 사용합니다. 이 냉각과정을 계속 유지하려면 헬륨-3을 스틸에서 증발시키고 실온 펌프로 회수한 뒤 다시 냉동기 안으로 보내야 합니다.
가스처리장치에는 진공펌프와 루츠펌프, 압축기와 밸브제어장치가 포함될 수 있습니다. 장비의 크기와 헬륨 순환량에 따라 소비전력이 다르며, 이러한 장치도 냉동기 운전 중 장시간 가동됩니다.
냉동기 내부의 진공을 만들고 유지하는 펌프도 필요합니다. 일부 펌프는 초기 진공 형성에 집중적으로 사용되고 일부는 희석순환을 유지하기 위해 계속 작동하므로 장비별 운전방식을 구분해야 합니다.
제어전자장치는 얼마나 많은 전력을 사용할까
양자컴퓨터는 큐비트에 마이크로파와 DC 신호를 전달하고 약한 측정신호를 디지털 자료로 변환해야 합니다. 이를 위해 파형발생기와 디지털·아날로그 변환기, 마이크로파 발생기와 신호처리장치가 장비랙에 설치됩니다.
상용 양자 제어장치 가운데 완전히 구성된 고밀도 제어 섀시는 정상운전 시 약 1.5킬로와트, 최대 약 1.6킬로와트의 AC 전력을 사용하는 사양이 공개돼 있습니다.[4]
하나의 섀시가 처리할 수 있는 채널 수에는 한계가 있으므로 큐비트와 판독채널이 늘어나면 여러 섀시가 필요할 수 있습니다. 여기에 기준클록과 네트워크 스위치, 데이터수집 서버와 작업관리 서버가 추가됩니다.
| 제어장비 | 주요 역할 | 전력에 영향을 주는 요소 |
|---|---|---|
| 파형발생기 | 큐비트 제어펄스 생성 | 출력채널 수와 샘플링 속도 |
| ADC·DAC | 아날로그와 디지털 신호 변환 | 해상도와 변환속도 |
| 마이크로파 장치 | 주파수 변환과 위상제어 | 채널별 발진기와 믹서 수 |
| FPGA·프로세서 | 실시간 피드백과 회로 실행 | 연산량과 데이터 처리속도 |
| 서버 | 컴파일과 작업관리, 결과분석 | CPU·GPU 구성과 사용자 수 |
| 네트워크 장비 | 제어장치와 서버 연결 | 대역폭과 중복구성 |
제어장치를 냉동기 안에 넣으면 전력이 줄어들까
실온에서 큐비트마다 별도의 케이블을 연결하면 배선 수와 열유입이 증가합니다. 이를 해결하기 위해 일부 제어전자장치를 4켈빈 단계에 설치하는 극저온 CMOS 기술이 연구되고 있습니다.
극저온 제어칩은 배선 수와 지연시간을 줄일 수 있지만 소비전력이 열로 변해 냉동기의 냉각부담을 높입니다. IBM 연구에서는 기존 극저온 제어회로가 큐비트당 수 밀리와트 수준의 전력을 사용할 수 있으며, 낮은 온도단계에서 허용되는 냉각능력과 비교하면 확장에 큰 제약이 된다고 설명합니다.[5]
또 다른 IBM의 극저온 제어칩 연구에서는 능동 제어 시 큐비트당 약 23밀리와트의 전력소모가 보고됐습니다. 이는 해당 연구용 제어회로의 수치이며 모든 양자컴퓨터에 그대로 적용되는 값은 아닙니다.[6]
미래에는 극저온에 최적화된 반도체 공정과 신호 다중화, 저전력 디지털 회로를 사용해 큐비트당 제어전력을 크게 줄이는 연구가 필요합니다.
서버와 고전컴퓨터도 양자계산의 일부다
양자컴퓨터는 양자프로세서만으로 독립적으로 작동하지 않습니다. 사용자가 작성한 회로를 실제 큐비트와 게이트에 맞게 변환하는 컴파일과 작업예약, 오류 완화와 결과분석에는 고전컴퓨터가 필요합니다.
변분 양자 알고리즘은 양자프로세서에서 측정한 결과를 고전 최적화 알고리즘이 분석하고 새로운 매개변수를 다시 양자프로세서에 전달합니다. 이러한 하이브리드 작업에서는 양자 칩의 실행시간뿐 아니라 CPU와 GPU, 저장장치의 전력도 포함해야 합니다.
- 양자회로 컴파일과 큐비트 배치
- 실시간 측정결과 판별과 피드백
- 오류 완화용 추가 회로 생성
- 작업대기열과 다중 사용자 관리
- 신드롬 디코딩과 논리 오류 보정
- 실험자료 저장과 장기 모니터링
- 고전 시뮬레이터를 이용한 결과검증
양자컴퓨터의 에너지효율을 비교할 때 QPU가 실제 계산한 몇 마이크로초만 계산하면 전체 소비전력을 지나치게 낮게 평가할 수 있습니다. 회로 준비부터 결과검증까지 사용된 고전 자원과 대기시간도 포함해야 합니다.
냉각수와 공조설비가 추가 전력을 사용하는 이유
펄스튜브 압축기와 진공펌프, 제어장비는 소비한 전력의 대부분을 결국 열로 방출합니다. 장비가 사용하는 전력만큼 실험실에서 열을 다시 제거해야 하므로 냉각수 순환장치와 건물 공조설비도 전기를 사용합니다.
고성능 헬륨 압축기는 수냉식으로 운전되는 경우가 많으며 분당 수 리터 이상의 냉각수 흐름을 요구할 수 있습니다. 중앙 냉각수 설비가 없다면 별도의 칠러와 펌프를 설치해야 합니다.[1]
UPS와 전력변환장치에도 손실이 있으며 전원 이중화를 적용하면 일부 장비가 대기상태로 전력을 사용할 수 있습니다. 시설 전체의 전력효율을 계산할 때는 양자장비에 들어간 전력과 냉각·전력분배에 사용된 전력을 분리해 기록하는 것이 좋습니다.
현재 양자컴퓨터 한 대는 대략 몇 kW를 사용할까
공급업체들은 냉동기와 제어장치의 구성요소 사양은 공개하지만 완성된 양자시스템 전체의 벽전력을 동일한 기준으로 공개하지 않는 경우가 많습니다. 따라서 모든 장비에 적용되는 하나의 평균값을 제시하기는 어렵습니다.
공개사양을 조합하면 펄스튜브 압축기 한 대만으로 약 8~11킬로와트가 필요하고, 제어장치 한 섀시에 약 1.5킬로와트가 추가됩니다. 가스처리 펌프와 서버, 냉각수와 공조를 포함하면 단일 희석냉동기 기반 시스템이 수십 킬로와트에 도달할 수 있다는 것이 합리적인 공학적 추정입니다.
| 시스템 규모 | 전력규모를 판단하는 방법 | 주의할 점 |
|---|---|---|
| 소형 연구장비 | 압축기 1대와 소수 제어채널 | 전체 전력은 10kW를 넘을 수 있음 |
| 일반 초전도 양자시스템 | 희석냉동기와 다수 제어랙 | 보조설비 포함 수십 kW 가능 |
| 대형 다중 냉동시스템 | 여러 압축기와 제어·서버 인프라 | 수십~수백 kW 가능성 |
| 미래 내결함성 시스템 | 다수 논리 큐비트와 대규모 디코더 | MW급 설비가 제시되고 있음 |
위 표의 현재 시스템 범위는 특정 제품의 공식 보증전력이 아니라 공개된 압축기와 제어장치 사양을 합산해 파악한 규모입니다. 실제 소비전력은 냉동기의 수와 펌프 구성, 장비 활용률과 시설 효율을 직접 계측해야 확인할 수 있습니다.
양자컴퓨터는 계산하지 않아도 전력을 사용할까
초전도 양자컴퓨터는 희석냉동기를 밀리켈빈 온도로 유지하는 데 시간이 오래 걸리므로 작업이 없을 때마다 냉동기를 끄지 않습니다. 큐비트 계산이 없는 유휴시간에도 압축기와 펌프, 온도감시장치는 계속 작동합니다.
따라서 양자게이트를 실행할 때 추가되는 한계전력은 전체 시스템의 기본 유지전력과 비교해 작을 수 있습니다. 하루에 작업이 한 건뿐이어도 냉동기는 하루 종일 운전되고 있다면 그 작업에 배분할 에너지를 어떻게 계산하는지가 중요합니다.
클라우드 양자컴퓨터는 여러 사용자가 같은 시스템을 공유합니다. 개별 사용자의 에너지 사용량을 계산하려면 전체 유지전력을 실제 사용시간이나 샷 수, 작업점유시간에 따라 배분하는 규칙이 필요합니다.
계산 한 번의 에너지는 어떻게 측정할까
양자계산의 에너지효율을 공정하게 평가하려면 QPU의 짧은 실행시간만 측정하지 말고 결과를 얻는 전체 작업과정을 포함해야 합니다. 이를 전체 해답 도출에너지라고 생각할 수 있습니다.
- 기본 유지전력 측정: 작업이 없을 때 냉동기와 제어시설이 사용하는 전력을 측정합니다.
- 활성 전력 측정: 회로를 실행할 때 추가되는 제어·서버 전력을 측정합니다.
- 작업시간 기록: 대기와 컴파일, 실행과 후처리에 걸린 시간을 나눠 기록합니다.
- 공유 인프라 배분: 냉동기 유지전력을 사용자와 작업 사이에 배분합니다.
- 오류 완화 포함: 정확도를 높이기 위해 실행한 추가 회로와 샷을 포함합니다.
- 실패작업 포함: 오류로 재실행한 작업도 전체 에너지에 반영합니다.
- 결과 정확도 확인: 동일한 품질의 해답을 얻는 데 필요한 에너지를 비교합니다.
빠르게 답을 얻었지만 정확도가 낮은 장치와 더 많은 에너지를 사용해 검증 가능한 답을 얻은 장치를 단순 비교해서는 안 됩니다. 같은 문제와 목표 정확도, 성공확률을 기준으로 비교해야 합니다.
양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터의 전력을 직접 비교하기 어려운 이유
양자컴퓨터의 전력소비가 수십 킬로와트라고 해서 수 메가와트급 슈퍼컴퓨터보다 항상 효율적이라고 결론 내릴 수는 없습니다. 현재 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터는 처리할 수 있는 문제와 결과의 정확도, 성숙도가 다르기 때문입니다.
일부 작은 양자회로는 고전 컴퓨터가 훨씬 적은 에너지와 시간으로 계산할 수 있습니다. 반대로 미래에 특정 문제에서 양자 알고리즘이 고전 알고리즘보다 계산량을 크게 줄인다면 전체 시스템 전력이 높더라도 해답 하나당 에너지는 낮아질 수 있습니다.
- 동일한 문제와 입력 크기를 사용했는가
- 결과의 정확도와 성공확률이 같은가
- 전처리와 후처리 시간을 포함했는가
- 오류 완화와 반복실행을 포함했는가
- 냉동기의 유휴전력을 배분했는가
- 고전 시스템의 서버와 냉각전력도 포함했는가
- 실제 처리량과 작업대기시간을 반영했는가
양자 우위와 에너지 우위도 구분해야 합니다. 특정 계산에서 속도가 빠르다는 사실이 반드시 소비에너지가 적다는 뜻은 아니며, 에너지효율을 입증하려면 전체 시스템을 계측해야 합니다.
큐비트 수가 늘어나면 전력도 비례해 증가할까
큐비트 수가 두 배가 된다고 전체 전력이 정확히 두 배가 되는 것은 아닙니다. 압축기와 서버처럼 고정적으로 필요한 장비가 있는 반면, 제어채널과 증폭기처럼 큐비트 수에 따라 증가하는 장비도 있습니다.
마이크로파 신호를 여러 큐비트가 공유하는 다중화 기술을 사용하면 채널 수 증가를 완화할 수 있습니다. 반대로 오류 보정을 위해 하나의 논리 큐비트에 수백 또는 수천 개의 물리 큐비트가 필요하면 냉각공간과 제어·측정 부담이 크게 늘어날 수 있습니다.
| 전력 증가요인 | 큐비트 수와의 관계 | 효율화 방법 |
|---|---|---|
| 펄스튜브 압축기 | 냉각부하와 시스템 크기에 따라 단계적 증가 | 고효율 냉각기와 열부하 감소 |
| 제어채널 | 큐비트와 게이트 수에 따라 증가 | 주파수·시간 다중화 |
| 측정 증폭기 | 판독선 수에 따라 증가 | 다중화 판독과 저전력 증폭기 |
| 디코더 | 오류 보정 규모에 따라 연산량 증가 | 전용 ASIC과 분산처리 |
| 서버 | 사용자와 작업량에 따라 증가 | 고효율 컴파일과 작업통합 |
| 공조·냉각수 | 장비 전력이 늘수록 함께 증가 | 열회수와 고효율 시설설계 |
미래 양자컴퓨터는 MW급 전력이 필요할까
IBM의 2033년 이후 양자컴퓨팅 로드맵은 최대 2,000개의 논리 큐비트에서 10억 개 게이트를 실행하는 내결함성 시스템에 새로운 제어전자장치와 극저온 인프라가 필요하며 전력소비 목표를 2메가와트 규모로 제시하고 있습니다.[7]
2메가와트는 현재 모든 양자컴퓨터가 사용하는 전력이나 완성된 제품의 실제 측정값이 아닙니다. 대규모 내결함성 시스템을 위한 미래 목표와 설계 전망에 해당합니다.
전력이 MW급으로 커지더라도 특정 산업문제를 기존 데이터센터보다 적은 시간과 총에너지로 해결할 수 있다면 경제적 가치가 생길 수 있습니다. 반대로 유용한 계산을 제공하지 못한다면 높은 시설전력은 상용화의 부담이 됩니다.
양자컴퓨터의 전력효율을 높이는 기술
양자컴퓨팅의 전력효율을 개선하려면 냉동기의 효율만 높이는 것으로는 부족합니다. 큐비트당 배선과 제어전력, 오류율과 필요한 반복횟수를 함께 줄여야 합니다.
- 더 높은 냉각효율을 가진 압축기와 펄스튜브 개발
- 혼합실로 유입되는 전도열과 복사열 감소
- 제어·판독신호의 주파수 다중화
- 저전력 극저온 CMOS와 초전도 디지털 회로 개발
- 부피가 큰 아이솔레이터와 증폭기의 집적화
- 오류율을 낮춰 반복회로와 오류 완화 비용 감소
- 효율적인 오류 보정 코드와 디코더 개발
- 여러 사용자의 작업을 묶어 냉동기 유휴시간 감소
- 냉각수의 폐열을 건물 난방 등에 재활용
- 모듈형 냉동시스템으로 필요한 부분만 운전
기업이 양자컴퓨터 전력비용을 평가하는 방법
기업이 온프레미스 양자컴퓨터 도입을 검토한다면 장비의 정격전력만 확인해서는 부족합니다. 건물 전력과 냉각수, 바닥하중과 소음, 전원품질과 비상전력까지 포함한 시설계획이 필요합니다.
- 압축기와 펌프의 정상·기동전력을 확인했는가
- 필요한 3상 전원과 차단기 용량을 확보했는가
- 냉각수의 유량과 온도조건을 충족하는가
- 제어랙과 서버, 네트워크 전력을 포함했는가
- UPS와 발전기의 비상운전 범위를 정했는가
- 장비에서 발생하는 열을 공조설비가 처리할 수 있는가
- 24시간 기본전력과 실제 작업전력을 구분했는가
- 칩 교체와 재냉각 과정의 에너지를 포함했는가
- 연간 유지보수와 펌프·압축기 교체비를 계산했는가
- 클라우드 이용비용과 온프레미스 비용을 비교했는가
초기 활용단계에서는 자체 장비를 설치하기보다 클라우드 양자서비스를 이용해 여러 사용자가 냉각과 제어 인프라를 공유하는 방식이 경제적일 수 있습니다. 다만 클라우드 서비스의 개별 작업별 에너지 사용량은 사업자가 공개하는 측정범위에 따라 확인 가능성이 달라집니다.
양자컴퓨팅 전력소비에 관한 대표적인 오해
큐비트 칩이 수십 킬로와트를 사용할까
수십 킬로와트는 칩 자체의 열발생량이 아니라 냉동기와 압축기, 펌프와 실온 제어장치를 포함한 전체 시스템 전력입니다. 밀리켈빈 단계의 허용 열부하는 마이크로와트 수준으로 관리됩니다.
양자게이트를 실행할 때만 전력을 사용할까
희석냉동기와 펌프는 큐비트 온도를 유지하기 위해 작업이 없을 때도 작동합니다. 실제 양자게이트 실행으로 증가하는 전력보다 기본 유지전력이 클 수 있습니다.
큐비트가 많으면 전력도 같은 비율로 증가할까
압축기와 서버처럼 기본적으로 필요한 고정전력이 있고, 제어채널과 증폭기처럼 규모에 따라 증가하는 전력이 있습니다. 다중화와 집적화 정도에 따라 증가속도가 달라집니다.
양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 무조건 전기를 적게 사용할까
현재는 처리하는 문제와 정확도, 시스템 성숙도가 달라 단순 비교할 수 없습니다. 동일한 문제에서 검증된 해답을 얻는 데 걸린 전체 시간과 에너지를 측정해야 합니다.
온도를 더 낮출수록 항상 에너지효율이 좋아질까
더 낮은 온도는 일부 열적 오류를 줄일 수 있지만 냉각에 필요한 전력과 복잡성은 증가합니다. 목표 오류율을 만족하는 범위에서 온도와 냉각비용의 균형을 찾아야 합니다.
양자컴퓨팅 전력 관련 주요 용어
| 용어 | 의미 |
|---|---|
| 와트 | 장비가 순간적으로 사용하는 전력의 단위 |
| 킬로와트시 | 일정한 시간 동안 소비한 전기에너지의 단위 |
| 벽전력 | 장비 전체가 전원계통에서 실제로 끌어오는 전력 |
| 냉각능력 | 특정 온도에서 냉동기가 제거할 수 있는 열의 양 |
| 열부하 | 냉각단계로 유입되거나 내부에서 발생하는 열 |
| 펄스튜브 | 헬륨의 압축과 팽창을 이용해 수 켈빈까지 예냉하는 장치 |
| 희석냉동기 | 헬륨-3과 헬륨-4의 순환으로 밀리켈빈 환경을 만드는 냉동기 |
| 극저온 CMOS | 낮은 온도에서 큐비트를 제어하도록 설계한 반도체 회로 |
| 유휴전력 | 계산을 실행하지 않는 상태에서도 장비를 유지하는 전력 |
| 한계전력 | 특정 작업을 추가했을 때 증가하는 전력 |
| 전체 해답 도출에너지 | 입력 준비부터 검증된 결과를 얻기까지 사용한 전체 에너지 |
| 논리 큐비트 | 여러 물리 큐비트와 오류 보정으로 보호한 양자정보 단위 |
양자컴퓨팅 장비의 전력을 판단하는 기준
양자컴퓨터의 전력소비는 큐비트 칩에 전달되는 신호만으로 판단할 수 없습니다. 실온에서 수 킬로와트의 전력을 사용하는 압축기와 펌프가 밀리켈빈 단계의 극히 작은 열을 제거하고, 제어전자장치와 고전 서버가 회로 실행과 결과처리를 담당합니다.
현재 단일 희석냉동기 기반의 초전도 양자시스템은 구성에 따라 전체 전력이 수십 킬로와트 규모가 될 수 있습니다. 대형 시스템은 냉각기와 제어랙이 늘어나면서 수십 또는 수백 킬로와트로 확장될 가능성이 있습니다.
미래 내결함성 양자컴퓨터는 MW급 전력과 새로운 극저온 인프라가 필요할 수 있습니다. 그러나 최종적으로 중요한 기준은 장비의 순간 전력만이 아니라 기존 방식으로 어려운 문제의 검증된 해답을 얼마나 적은 시간과 총에너지로 제공하는가입니다.
참고자료
- Bluefors Cryocooler Technologies, PT410·PT415 Cryocooler Specification Sheets
- Bluefors, Increased Cooling Power Specifications for Dilution Refrigerators
- IBM Quantum, Goldeneye Cryogenic Concept System
- Quantum Machines, OPX1000 System Installation and Power Requirements
- IBM Research, Cryogenic Electronics for Quantum Computing
- IBM Research, Cryo-CMOS Low-Power Transmon Qubit Controller
- IBM Quantum Roadmap 2033+