IBM 퀀텀 나이트호크: 120 큐비트로 양자 우위를 여는 4가지 혁신

큐비트가 많을수록 강력한 양자 컴퓨터일까요? IBM은 1,121개에서 120개로 큐비트를 줄이며 반대로 답했습니다. 2025년 11월 공개된 IBM 퀀텀 나이트호크는 숫자 대신 품질을 선택한 120큐비트 프로세서입니다. 218개 튜너블 커플러와 Square-Lattice 토폴로지로 설계된 이 나이트호크 양자 칩은 2026년 말 양자 우위(Quantum Advantage) 달성을 목표로 합니다. (IBM Quantum 공식 발표) 이 글에서는 나이트호크의 4가지 핵심 혁신—튜너블 커플러, 토폴로지 전환, 제조 공정, 로드맵—을 상세히 분석합니다. 양자 컴퓨팅의 전략이 어떻게 바뀌고 있는지 지금 확인해보세요.

 

 

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1. IBM 퀀텀 나이트호크의 218 튜너블 커플러 기술

1.1 양자 컴퓨터 성능을 결정하는 연결성

IBM 퀀텀 나이트호크 성능의 가장 핵심적인 혁신은 218개의 튜너블 커플러(Tunable Coupler) 기술입니다. 이 나이트호크 양자 칩에서 큐비트가 많아도 서로 정보를 효율적으로 주고받을 수 없다면 복잡한 알고리즘을 실행하기 어렵습니다.

 

기존 양자 프로세서들이 가진 주요 과제는 다음과 같습니다:

 

(1) 제한적 연결성:

인접한 큐비트끼리만 직접 상호작용이 가능했습니다. 멀리 떨어진 큐비트를 연결하려면 중간에 여러 번 정보를 중계하는 SWAP 게이트가 필요했죠.

 

(2) 크로스토크 문제:

의도하지 않은 큐비트 간 간섭으로 계산 정확도가 영향을 받을 수 있었습니다.

 

지하철로 비유하면 이렇습니다. 서울에서 부산을 가는데 직통 열차 없이 각 역마다 환승해야 한다면 시간도 오래 걸리고 환승 과정에서 오류가 발생할 확률도 높아집니다.

 

1.2 튜너블 커플러의 작동 원리

IBM 퀀텀 나이트호크의 튜너블 커플러는 전기적 제어를 통해 큐비트 간 상호작용의 세기를 동적으로 조절합니다:

 

대기 상태

• 필요하지 않을 때 큐비트 간 상호작용을 억제합니다
• 불필요한 크로스토크를 줄이는 방향으로 설계되었습니다
• 각 큐비트가 상대적으로 독립적인 양자 상태를 유지합니다

 

활성화 상태

• 필요한 순간에만 큐비트를 연결합니다
• 정밀한 타이밍 제어가 가능합니다

 

세기 조절

• 알고리즘에 최적화된 커플링 세기를 설정할 수 있습니다
• 게이트 연산의 정확도를 높이는 데 기여합니다

 

1.3 하드웨어 구성과 개선 효과

IBM 퀀텀 나이트호크 하드웨어 구성 

IBM 퀀텀 나이트호크 하드웨어 구성

항목	사양	의미
총 큐비트 수	120개	품질 중심 설계
튜너블 커플러	218개	Heron 대비 20% 이상 증가
토폴로지	Square Lattice	4방향 연결 구조
회로 복잡도	Heron 대비 30%↑	IBM 공식 발표

표1. IBM 공식 발표 자료 기반 (2025년 11월)

 

IBM은 이 120큐비트 양자 프로세서의 높은 연결 밀도 덕분에 Heron 프로세서 대비 30% 더 복잡한 회로를 실행할 수 있다고 밝혔습니다.

 

연결성이 향상되면 불필요한 SWAP 게이트를 줄일 여지가 커지고 결과적으로 같은 오류 수준에서 더 복잡한 문제를 다룰 가능성이 높아집니다.

 

게이트 처리 능력 로드맵

IBM은 나이트호크 프로세서 아키텍처로 다음과 같은 로드맵을 제시했습니다:

• 현재 단계: 5,000개 2큐비트 게이트를 요구하는 문제 탐색 가능
• 2026년 말 목표: 7,500개
• 2027년 목표: 10,000개
• 2028년 목표: 15,000개

 

이 수치들은 IBM이 공개한 개발 목표로 실제 달성 시기와 성능은 기술 발전에 따라 달라질 수 있습니다. 게이트 수가 늘어날수록 더 복잡한 알고리즘을 실행할 수 있고 IBM 양자컴퓨터 2026 양자 우위를 입증할 가능성이 커집니다.

 

🔗 더 알아보기: 양자 게이트 원리 (회로에서 알고리즘까지)

 

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2. Square-Lattice 토폴로지: 나이트호크 vs Heron 비교

2.1 큐비트 배치가 성능에 미치는 영향

양자 프로세서의 '토폴로지'란 큐비트를 어떤 패턴으로 배치하고 연결하느냐의 문제입니다. IBM 퀀텀 나이트호크는 기존의 Heavy-Hex 구조에서 Square-Lattice(사각 격자) 구조로 전환했습니다.

 

Heavy-Hex에서 Square-Lattice로의 전환

IBM은 이전까지 육각형 구조의 Heavy-Hex 토폴로지를 사용해왔습니다. 이 구조는 큐비트 간 주파수 충돌을 완화하여 안정성을 확보하는 데 유리했지만 연결성에는 제약이 있었습니다.

 

나이트호크 vs Heron 토폴로지 비교

특징	Heavy-Hex (Heron)	Square-Lattice (나이트호크)
연결 방향	평균 2~3개	4개 (상하좌우)
설계 초점	주파수 충돌 완화	연결성 향상
적합한 문제	범용 알고리즘	격자 기반 문제
큐비트 수	156개	120개
커플러 밀도	낮음	20% 높음
확장성	제한적	2D 그리드 확장 용이

표2. IBM 퀀텀 나이트호크 토폴로지 선택의 전략적 의미

 

왜 지금 구조를 바꿨을까요?

 

과거에는 튜너블 커플러 기술의 한계로 인해 주파수 충돌 문제를 토폴로지 설계로 해결해야 했습니다. 하지만 이 120큐비트 시스템의 튜너블 커플러 기술이 발전하면서 주파수 제어가 가능해졌고 연결성을 우선시하는 설계가 가능해졌습니다.

 

Square-Lattice 구조에서는 각 큐비트가 상하좌우 4개 방향의 이웃과 연결됩니다. 이는 특정 유형의 알고리즘을 하드웨어에 매핑할 때 효율성을 높일 수 있습니다.

 

 

실제 응용에서 기대되는 장점

(1) 양자 화학 계산:

분자 구조는 본질적으로 격자 형태의 연결성을 가집니다. 나이트호크 양자 칩의 Square-Lattice를 사용하면 하드웨어 구조가 문제 구조와 더 자연스럽게 일치할 수 있습니다.

 

(2) 최적화 문제:

물류 네트워크나 전력망처럼 격자 구조를 가진 실제 문제들은 이 토폴로지에서 더 효율적으로 표현될 가능성이 있습니다.

 

(3) 오류 정정 호환성:

Square-Lattice는 다양한 오류 정정 코드와 호환성이 좋습니다. IBM의 장기 로드맵에서는 qLDPC(Quantum Low-Density Parity-Check) 코드와 장거리 커플러를 핵심 축으로 제시하고 있습니다.

 

🔗 더 알아보기: 

(1) 양자 오류 정정의 원리 – QEC는 왜 가능할까?

(2) Shor 코드와 Steane 코드 완전 해설 – 대표 QEC 방식과 정밀도 임계값까지

 

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3. IBM 퀀텀 나이트호크 성능 지표 (T1 350µs 공식 발표)

3.1 300mm 웨이퍼 공정으로의 전환

IBM 퀀텀 나이트호크의 또 다른 중요한 특징은 제조 방식의 변화입니다. IBM은 뉴욕 올버니 나노테크 콤플렉스의 300mm 웨이퍼 반도체 제조 인프라를 활용하여 이 나이트호크 프로세서의 개발 사이클을 단축하는 방향을 강조했습니다.

 

기존에는 양자 칩을 실험실에서 소량으로 제작했지만 반도체 산업 표준 공정을 도입함으로써 다음과 같은 개선을 목표로 합니다:

• 개발 속도 향상 (IBM은 "시간을 절반으로"라는 표현 사용)
• 칩 간 성능 편차 감소
• 생산 안정성 확보

 

다층 배선과 극저온 통합 기술

IBM 퀀텀 나이트호크는 여러 층의 금속 배선을 수직으로 적층하는 기술을 적용했습니다. 제어 신호와 판독 신호를 분리하여 2차원 평면에서의 배선 혼잡도를 줄이고 신호 간섭을 완화하는 데 기여합니다.

 

극저온 CMOS 통합 기술도 연구되고 있습니다. 이 120큐비트 양자 칩의 초전도 큐비트는 15밀리켈빈(mK)의 극저온에서 작동하지만 제어 회로를 더 높은 온도(4K)에서 배치하여 배선 길이를 줄이는 방향이 모색되고 있습니다.

 

현재 공개된 성능 지표

IBM 퀀텀 나이트호크 공개 성능 지표 (2026년 1월 기준)

지표	공개된 값	출처
T1 시간 (중앙값)	350µs	IBM Quantum Platform 공지
큐비트 수	120개	공식 발표
튜너블 커플러	218개	공식 발표
회로 복잡도 향상	Heron 대비 30%	공식 발표
기타 성능 지표	추후 공개 예정	-

표3. IBM이 2026년 1월 5일 공식 공개한 ibm_miami QPU 정보 기반

 

T1 시간 350µs는 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 평균 시간입니다. 이는 초기 초전도 큐비트가 수 마이크로초에 불과했던 것과 비교하면 상당히 향상된 수치입니다.

 

1회 게이트 작동에 약 100나노초가 소요되므로 이론적으로는 수천 번의 연산을 수행할 여유가 있습니다. 물론 실제로는 오류 누적과 다른 요인들로 인해 제약이 있지만 복잡한 알고리즘을 실행할 수 있는 기반이 됩니다.

 

중요:

2026년 1월 현재 IBM 퀀텀 나이트호크(ibm_miami QPU)는 exploratory(탐색적) 단계로 제공되며 dynamic circuits 같은 일부 고급 기능은 아직 지원되지 않습니다. 향후 업데이트에서 추가 성능 지표와 기능이 공개될 것으로 예상됩니다.

 

나이트호크 vs Willow vs Atom: 2026년 주요 양자 프로세서 비교

2026년 주요 양자 프로세서 스펙 비교

항목	IBM 나이트호크	Google Willow	Microsoft-Atom
큐비트 수	120 (물리)	105 (물리)	50 (논리) 목표
핵심 기술	튜너블 커플러 218개	오류 정정	중성 원자
토폴로지	Square-Lattice	-	All-to-all
T1 시간	350µs	-	40초 (중성원자 특성)
강점	복잡한 회로 실행	오류율 지수 감소	높은 연결성
목표	양자 우위 2026	오류 정정 입증	논리큐비트 확장
발표 시기	2025년 11월	2024년 12월	2024년 11월
접근 방법	IBM Quantum Platform	-	Azure Quantum
회로 깊이	5,000 게이트 → 15,000 목표	RCS 벤치마크 5분	-

표4. 2026년 1월 공개 정보 기준 비교 (IBM 퀀텀 나이트호크 스펙 중심)

 

이 비교표에서 볼 수 있듯이 IBM 양자컴퓨터 2026의 전략은 복잡한 회로를 실행할 수 있는 능력에 초점을 맞추고 있습니다. Google Willow가 오류 정정 벤치마크에 집중하고 Microsoft-Atom이 중성 원자 기반의 높은 연결성을 강조하는 것과 대조적입니다.

 

한편 PsiQuantum은 100만 큐비트라는 대규모 시스템 구축을 목표로 하는 등 각 기업의 접근 방식이 다양합니다.

 

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4. 2026년 양자 우위 로드맵: 나이트호크가 여는 미래

4.1 단계별 기술 발전 계획

IBM은 IBM 퀀텀 나이트호크를 중심으로 명확한 로드맵을 제시했습니다.

 

2026년: 양자 우위 검증의 해

IBM은 2026년 말까지 커뮤니티 검증을 포함한 양자 우위를 확인하는 것을 목표로 합니다.

이를 위해 Quantum Advantage Tracker를 운영하며 이 나이트호크 양자 칩과 고성능 컴퓨터(HPC)를 결합한 하이브리드 방식으로 고전 컴퓨터를 초월하는 성과를 입증하려 합니다.

 

후보 알고리즘으로는 해밀토니안 시뮬레이션과 변분 알고리즘(VQE, QAOA) 그리고 피크드 회로(Peaked Circuits) 등이 있습니다.

 

2027년: 응용 라이브러리 구축

Qiskit Functions 카탈로그가 확장되어 4대 분야에서 실용적인 양자 알고리즘 라이브러리 구축을 목표로 합니다:

• 해밀토니안 시뮬레이션 (양자 화학)
• 최적화 문제 (물류와 금융)
• 양자 머신러닝
• 미분방정식 (유체역학과 기후 모델)

 

2029년: 내결함성 달성

Loon 프로세서의 기술 실증을 거쳐 Starling이라는 내결함성 양자 시스템 구축을 목표로 합니다.

 

IBM은 Starling을 200개 논리큐비트 규모로 설계하며 1억 개의 게이트 연산을 실행할 수 있는 시스템을 목표로 제시했습니다. 이 시스템은 역사적인 IBM Poughkeepsie 데이터센터에 설치될 예정입니다.

 

 

4.2 산업 응용 연구의 현재 단계

신약 개발 분야

Cleveland Clinic과 IBM의 협업 연구는 단백질 구조 예측과 분자 상호작용 계산에 양자-고전 하이브리드 접근법을 적용하고 있습니다. 현재는 파일럿 연구 단계로 잠재적 가능성을 탐색하는 수준입니다.

 

약물-표적 결합 에너지 계산이나 대규모 분자 시뮬레이션에서 나이트호크 프로세서의 장점을 실증하는 연구가 진행 중이지만 실제 산업 프로세스에 통합되기까지는 추가 검증이 필요합니다.

 

신소재 연구

리튬이온 배터리 전해질 최적화나 고체 전해질 탐색은 양자 시뮬레이션이 유망한 분야로 평가받습니다. 이 120큐비트 양자 프로세서의 Square-Lattice 구조가 특히 격자 기반 물질 시뮬레이션에 적합할 것으로 기대됩니다.

 

다만 극적인 단축 효과는 아직 입증되지 않았으며 향후 연구 결과를 지켜봐야 합니다.

 

금융 리스크 분석

HSBC와 IBM의 협업 연구에서는 채권 거래의 호가 요청(RFQ) 맥락에서 양자 알고리즘을 활용한 파일럿 실험을 진행했습니다. IBM 공식 발표에 따르면 예측 성능이 최대 34% 개선되는 결과를 보고했습니다.

 

이는 흥미로운 연구 결과이지만 상용 트레이딩 시스템에 바로 적용되는 것과는 구분해서 이해해야 합니다. 추가 검증과 확장성 연구가 필요한 단계입니다.

 

기후 및 환경 모델링

대기 순환 패턴 시뮬레이션이나 탄소 포집 소재 설계 같은 분야에서 IBM 양자컴퓨터 2026의 활용 가능성이 연구되고 있습니다. 이들은 모두 현재 연구 초기 단계로 장기적 잠재력을 가진 분야로 평가됩니다.

 

상용 서비스 현황

2026년 1월 5일 IBM은 첫 번째 IBM 퀀텀 나이트호크 QPU(ibm_miami)를 Premium과 Flex 플랜 사용자에게 early access로 제공하기 시작했습니다.

 

IBM Quantum Platform을 통해 클라우드 기반으로 접근할 수 있으며 Flex Plan은 학술 연구용과 상업용 그리고 프로토타입 개발용으로 구분되어 맞춤형 옵션을 제공합니다.

 

 

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IBM 퀀텀 나이트호크는 4가지 핵심 방향으로 양자 컴퓨팅의 실용화에 한 걸음 다가섰습니다:

 

1. 218개 튜너블 커플러로 큐비트 간 연결성을 향상시켜 Heron 대비 30% 더 복잡한 회로 실행 가능
2. Square-Lattice 토폴로지로 4방향 연결 구조를 구현하여 특정 문제 유형에 효율적인 매핑 가능
3. 300mm 웨이퍼 공정 도입으로 개발 사이클 단축과 생산 안정성 확보
4. 명확한 로드맵 제시: 2026년 양자 우위 검증부터 2029년 200 논리큐비트 내결함성 시스템까지

 

양자 컴퓨터가 연구소의 실험 장비에서 실제 문제를 탐색하는 도구로 전환되는 과정을 우리는 지금 목격하고 있습니다.

 

5,000개 게이트 탐색에서 시작해 2028년 15,000개로 확장되는 이 로드맵은 단순한 성능 향상이 아닙니다. 신약 후보 물질 탐색이나 배터리 소재 시뮬레이션처럼 고전 컴퓨터로는 접근하기 어려운 문제들을 이 120큐비트 양자 프로세서로 다룰 수 있는 가능성의 확장입니다.

 

Google이 Willow로 오류 정정 벤치마크를 강조할 때 IBM은 나이트호크 양자 칩으로 복잡한 회로 실행 능력을 제시합니다. 30년 전 POWER3 Nighthawk의 구리 배선 기술이 현대 모든 프로세서의 기반이 되었듯이 2026년 IBM 퀀텀 나이트호크의 기술들이 양자 컴퓨팅 발전의 중요한 이정표가 될지 지켜볼 만합니다.

 

2026년은 양자 우위 검증의 중요한 해입니다. 그 중심에 IBM 퀀텀 나이트호크가 있습니다.

 

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FAQ (자주 묻는 질문)

Q1: IBM Condor가 1,121개 큐비트였는데 나이트호크는 120개입니다. 퇴보한 것 아닌가요?

A: 아닙니다. IBM의 전략 변화입니다. Condor는 큐비트 개수 확장 가능성을 실증하는 연구용 프로세서였고, 나이트호크는 실용적인 양자 알고리즘 실행에 초점을 맞췄습니다. 연결되지 않은 1,000개 큐비트보다 218개 튜너블 커플러로 잘 연결된 120개 큐비트가 복잡한 회로를 실행하는 데 더 효과적입니다. IBM은 나이트호크가 Heron 대비 30% 더 복잡한 회로를 실행할 수 있다고 발표했습니다.

 

Q2: 양자 컴퓨터 튜너블 커플러란 무엇이며 218개는 많은 편인가요?

A: 튜너블 커플러는 큐비트 간 상호작용을 동적으로 켜고 끌 수 있는 스위치 역할을 합니다. 필요할 때만 큐비트를 연결하고 평소에는 격리시켜 불필요한 간섭(크로스토크)을 줄입니다. 120개 큐비트에 218개 커플러는 큐비트당 약 1.8개 커플러로, 이전 Heron 프로세서보다 20% 높은 연결 밀도입니다. 이는 SWAP 게이트를 줄이고 회로 복잡도를 높일 수 있는 핵심 기술입니다.

 

Q3: IBM 퀀텀 나이트호크와 Google Willow 양자 컴퓨터 차이는 무엇인가요?

A: 두 프로세서는 목표가 다릅니다. Google Willow(105큐비트)는 오류 정정 벤치마크에서 오류율을 지수적으로 감소시키는 것을 입증했습니다. IBM 나이트호크(120큐비트)는 5,000개 이상의 게이트를 포함하는 복잡한 회로 실행 능력에 집중합니다. Willow는 "오류 정정의 가능성" 입증에, 나이트호크는 "실용적 알고리즘 실행"에 초점을 맞춘 상호 보완적 접근입니다. 어느 것이 우수하다기보다 각자 다른 목표를 향해 발전하고 있습니다.

 

Q4: 양자 컴퓨터 T1 시간이란 무엇이며 350마이크로초는 어느 정도 수준인가요?

A: T1 시간은 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 평균 수명입니다. 350µs(마이크로초)는 초기 초전도 큐비트(수 마이크로초)에 비해 크게 향상된 수치입니다. 1회 게이트 연산에 약 100나노초가 소요되므로 이론적으로 3,500회 연산이 가능합니다. 다만 실제로는 T2 시간(결맞음 시간), 게이트 오류율 등 다른 요인도 중요하며, IBM은 T1 외 다른 성능 지표를 아직 공개하지 않았습니다.

 

Q5: IBM이 Heavy-Hex에서 Square-Lattice로 토폴로지를 변경한 이유는 무엇인가요?

A: "더 낫다"기보다 목적이 다릅니다. Heavy-Hex는 주파수 충돌을 완화하는 데 유리했지만 연결성이 제한적이었습니다. 튜너블 커플러 기술이 발전하면서 주파수 충돌을 전기적으로 제어할 수 있게 되자 연결성을 우선시하는 Square-Lattice로 전환했습니다. Square-Lattice는 각 큐비트가 상하좌우 4방향으로 연결되어 격자 기반 문제(양자 화학, 물질 시뮬레이션)에 효율적이며 qLDPC 같은 오류 정정 코드와도 호환성이 좋습니다.

 

Q6: IBM 양자 컴퓨터 나이트호크 사용 방법과 접근 가능 여부는?

A: 네, 2026년 1월 5일부터 IBM Quantum Platform을 통해 early access로 제공 중입니다. ibm_miami QPU로 명명된 첫 번째 나이트호크 프로세서는 Premium Plan과 Flex Plan 사용자에게 제공됩니다. 다만 현재는 exploratory(탐색적) 단계로 dynamic circuits 같은 일부 고급 기능은 지원되지 않습니다. 학술 연구, 상업적 프로토타입, 알고리즘 개발 목적으로 활용 가능하며, IBM Quantum Platform 웹사이트에서 플랜별 가격을 확인할 수 있습니다.

 

Q7: IBM 양자 우위 2026년 목표는 현실적인가요?

A: IBM은 2026년 말까지 커뮤니티 검증을 포함한 양자 우위 확인을 목표로 합니다. "양자 우위"의 정의에 따라 평가가 달라집니다. Google이 2019년 Sycamore로 주장한 것처럼 특수 벤치마크에서 고전 컴퓨터를 앞서는 것은 이미 달성되었습니다. IBM이 목표로 하는 것은 실용적 가치가 있는 문제에서 양자-고전 하이브리드 시스템이 고전 컴퓨터를 능가하는 것입니다. 해밀토니안 시뮬레이션, VQE, QAOA 같은 후보 알고리즘이 연구 중이며, 가능성은 있지만 확정적이지는 않습니다.

 

Q8: 양자 컴퓨터로 신약 개발이나 금융 문제를 당장 해결 가능한가요?

A: 현재는 파일럿 연구 단계입니다. Cleveland Clinic과의 신약 개발 협업, HSBC와의 금융 리스크 분석(34% 예측 성능 개선 보고) 등 유망한 결과가 나오고 있지만, 상용 시스템에 바로 통합할 수준은 아닙니다. 2027년까지 Qiskit Functions 라이브러리가 확장되고 2029년 Starling(200 논리큐비트) 시스템이 구축되면서 점진적으로 실용성이 높아질 것으로 예상됩니다. 지금은 "가능성 탐색"과 "알고리즘 개발" 단계입니다.

 

Q9: 양자 칩 제조에서 300mm 웨이퍼 공정의 의미는 무엇인가요?

A: 반도체 산업 표준 공정을 양자 칩 제조에 도입한 것입니다. 기존에는 양자 칩을 실험실에서 소량 제작했지만, IBM은 올버니 나노테크 콤플렉스의 상업용 반도체 제조 인프라를 활용합니다. 이를 통해 ① 개발 사이클 단축(IBM은 "시간을 절반으로" 표현), ② 칩 간 성능 편차 감소, ③ 양산 가능성 확보라는 장점을 얻습니다. 양자 컴퓨터가 연구실 장비에서 상용 제품으로 전환되는 데 필수적인 단계입니다.

 

Q10: 2028년 목표인 15,000개 2큐비트 게이트는 무엇을 의미하나요?

A: 회로 복잡도의 지표입니다. 현재 나이트호크는 5,000개 게이트 규모의 회로를 탐색할 수 있고, IBM은 2026년 7,500개, 2027년 10,000개, 2028년 15,000개로 확장을 목표로 합니다. 게이트 수가 늘어날수록 더 정교한 양자 알고리즘(복잡한 분자 시뮬레이션, 심층 최적화 문제 등)을 실행할 수 있습니다. 다만 이는 오류율이 충분히 낮다는 전제 하에 가능하므로, 게이트 수 증가와 함께 오류 정정 기술도 동시에 발전해야 합니다. 15,000 게이트는 내결함성 시스템(2029년 Starling)으로 가는 중간 단계입니다.