양자컴퓨터

양자컴퓨터는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 자료를 처리하는 컴퓨터이다.

개요

양자컴퓨터(quantum computer)란 양자역학의 원리에 따라 작동하는 컴퓨터이다. 기존 컴퓨터가 0과 1의 조합인 비트(bit) 단위로 모든 연산을 수행하는 것과 달리, 양자컴퓨터는 0과 1이 중첩된 상태인 큐비트(qubit) 단위로 연산을 수행한다. 큐비트를 이용하면, 기존 컴퓨터로 약 1,000년이 걸려야 풀 수 있는 암호를 양자 컴퓨터로 4분만에 풀 수도 있다. 1965년 리차드 파인만(Richard Feynman)이 처음 제안한 개념이다.

역사

1997년 미국 IBM이 2 큐비트 기반의 양자컴퓨터 개발에 성공했다. 2013년 캐나다에서 512 큐비트 기반의 양자컴퓨터인 디웨이브2(D-Wave 2)를 개발했다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 연산하기 어려웠던 방대한 양의 데이터를 빠른 속도로 처리할 수 있는 능력이 있기 때문에, 인공지능(AI), 암호, 기후, 교통 등 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상되고 있다.

D-Wave

1999년 설립된 캐나다 기업으로, 양자 컴퓨팅을 활용한 최초의 기업이며 최초의 양자컴퓨터 상용화 기업이다. 2011년 5월에 최초로 128큐비트의 상용 양자컴퓨터 디웨이브(D-Wave 1)을 개발하고 양산하기 시작해 양자컴퓨터 상용화의 발판을 마련했다. 디웨이브 1 출시 당시 양자컴퓨터의 진정한 의미와 맞는가에 대한 논란이 있었으나, 구글과 나사(NASA]]의 실험결과 특정 문제에 대해 1억배 이상의 처리속도 향상을 확인하였다. 2013년 5월에 512큐비트의 디웨이브 2를 개발하였고, 2015년과 2017년에는 디웨이브 2X, 디웨이브 2,000Q를 개발하였다.

D-Waves의 양자컴퓨터 활용

• 락헤드마틴(Lockhead Martin)

2010년말 128 큐비트의 디웨이브 1을 최초구매했다. USC의 정보과학연구소(Information Sciences Institute)에 설치 후 시스템 잠재력 공동 연구했다. 2013년에 디웨이브2로 업그레이드하고, 신약 설계나 수백만 라인의 소프트웨어 코드 순간 디버깅등 다양한 문제를 해결할 수 있는 잠자력을 연구했다. 2015년엔 디웨이브 2X로 업그레이드 하여 비행 제어시스팀, 통신 및 작동 확인등 항공기 설계에 활용하였다.

• 퀼(QuAlL)

구글,나사,URSA가 공동 설립한 양자 인공지능 연구소인 QuAlL은 2013년 디웨이브2를 구입했다. 구글연구팀은 음성인식에서 웹 검색등까지 모든 분야에서 정확한 모델을 구축하는데 양자 시스템이 어디까지 도움이 되는지를 연구했다. 나사에서는 양자 컴퓨팅 및 양자 알고리즘이 항공 교통제어나 자율주행, 로봇, 스케줄링 등의 분야에서의 최적화 작업을 위해 알고리즘을 향상시키기 위한 연구에 초점을 맞추었다. URSA에서는 컴퓨팅 시간 할당 등 운영 관리를 하였다.

• LANL

미국 국가 안보 관련 종합 연구 기관인 LANL은 2015년 디웨이브 2X를 도입해 2016년초에 설치하였다. 에너지부, 일부 대학 등과 협력해 양자 어닐링 기술의 기능과 응용 분야를 연구하였다.

• USC

디웨이브 시스템을 USC의 정보과학연구소에 설치했다. 디웨이브 시스템이 물리 양자 시스템의 최저 에너지 상태를 찾기 위해 문제를 인코딩하는 방식인 단열 양자 최적화의 이론적 및 실용적인 측면을 연구한다. 컴퓨팅 센터의 구축은 차세대 양자 컴퓨터 칩 개발을 지원하고, 이를 통해 대학과 파트나가 양자 컴퓨팅 분야의 연구를 선도 가능 하도록 지원하는 걸 목적으로 한다.

특징

• 양자역학기반

양자컴퓨터는 양자역학에 기반을 둔 컴퓨터이다. 양자는 띄엄띄엄한 양이라는 의미의 라틴어에서 나온 영어로, 양자역학은 원자 세계와 전자가 어떻게 돌아다니는지를 기술한 학문이다. 또한 양자역학은 쪼갤 수 없는 최소량의 에너지 단위인 양자(quantum)를 기반으로 전자, 광자, 양전자, 중성자 등의 소립자를 연구하는 물리학의 한 분야이다. 양자역학은 기존 고전 물리학과 달리, 양자의 중첩현상, 불확정성의 원리, 양자얽힘 현상 등 양자가 가지는 3가지 특징을 가진다.

• 큐비트 단위

큐비트는 양자(量子)를 뜻하는 퀀텀(quantum)과 컴퓨터의 정보 저장 최소 단위인 비트(bit)를 합성한 말로써, 양자컴퓨터에서 정보를 저장하는 최소 단위를 말한다.비트 단위를 쓰는 기존 컴퓨터와는 다르게 양자컴퓨터는 큐비트 단위를 쓴다. 기존 비트는 0과 1 두 숫자의 조합으로 모든 것을 표현한다. 이 때문에 용량을 늘리는 데 한계가 있었다. 그에 반해 양자컴퓨터는 0, 1의 두 개의 상태를 동시에 가질 수 있다. 양자 정보의 기본 단위는 큐비트 또는 양자비트라고도 한다. 하나의 큐비트가 더해질 때마다 성능은 두 배로 올라간다. 17큐비트는 6큐비트보다 2의 11승 즉, 2,000배 이상 더 높은 성능을 가질 수 있다. 기존 슈퍼컴퓨터로 몇억 년부터 수십 년이 걸리는 소인수분해나 250자리 암호체계도 양자컴퓨터는 100초, 몇 분이면 풀린다. 또한, 비트코인 같은 가상 화폐 채굴도 지금과 비교가 안될 정도로 쉬워진다.

• 중첩(superposition)

양자컴퓨터의 특징 중 하나인 큐비트는 회전상태, 혹은 자기장 두 가지 상태의 양자 시스템이 가능하다. 0, 1 중 하나의 상태가 아닌 동시에 두 가지 비율의 상태가 될 수 있는데 이것을 중첩이라고 부른다. 고전적인 컴퓨터는 하나의 입력값에 대해 하나의 결과만 내놓는다. 입력하는 값에 따라 출력값이 선형적으로 결정되는 결정론적인 체계이다. 이에 비해 양자적 수준 소립자를 이용하는 양자컴퓨터는 중첩을 이용한다. 중첩은 여러 가지 상태가 동시에 하나의 입자에 나타나는 것을 말하며 양자의 불확정성과 연관된다. 중첩이란 단순히 가능성만을 이야기하는 것이 아니다. 양자적 수준에서는 값이 관측되기 전까지 여러 상태가 확률적으로 중첩된 상태로 존재하다가, 관측하거나 조작을 하는 순간 어느 하나의 상태로 고정된다. 이러한 특징 때문에 양자 컴퓨터는 적은 큐비트로도 많은 경우의 수를 표현 가능하며 큐비트 자체가 비결정론적이라 여러 가지 결괏값을 한 번에 내는 게 가능하다. 또한 양자컴퓨터는 양자를 확률 파동함수로 표현했을 때 상반되는 상태가 상쇄되기 때문에 오답을 빨리 제거 할 수 있다. 이런 장점은 양자컴퓨터의 작동원리가 기존 컴퓨터와 본질적으로 다르기 때문에 나타난다. 이 때문에 우리가 컴퓨터에 기대하는 빠름과 양자컴퓨터의 빠름과는 적용 분야나 성격에 큰 차이가 나는 것이다.

• 얽힘(entanglement)

중첩된 상태가 필터를 거치면 분극화가 일어나게 되는데, 이를 측정하는 순간 하나의 명확한 상태로 와해가 되어 원하는 값을 볼 수 있게 된다. 즉 정보를 읽어 들이기 전까지 0과 1이 동시에 있고 관측하는 순간 그 값이 결정되는 것이다. 여기서 양자얽힘은 동시에 존재하는 정보 하나만 관측해도 나머지 하나의 정보 값을 결정 지을 수 있다. 기존 비트는 각각 4개의 다른 수치들이 고정되어 16가지의 조합밖에 나타낼 수 없지만, 중첩상태의 큐비트는 16가지뿐만 아니라 16가지의 조합들이 동시에 구현할 수 있다. 50큐비트만 가지고도 슈퍼컴퓨터 이상의 성능을 가질 수 있다. 이런 특징을 얽힘이라고 한다. 큐비트들이 멀리 떨어져 있는 것과 관계없이 순간적으로 각각의 큐비트는 다른 상태의 변화로 반응하게 된다. 얽힘의 특징 때문에 큐비트 하나를 측정할 때, 또 다른 얽힌 큐비트를 관측할 필요 없이 속성을 바로 사용할 수 있고 동작도 예측 가능하게 된다.

• 디지털방식 구현

양자 컴퓨터를 구현하는 방식은 두 가지가 있다. 아날로그 방식과 디지털 방식으로 분류되는데 아날로그 방식은 디웨이브(D-Wave), 디지털 방식은 IBM이 각각 대표하고 있다. 흔히 알고 있는 양자 컴퓨터는 보통 원리적으로 기존 컴퓨터에 가까운 디지털 방식이다. 아날로그 방식보다 활용도가 훨씬 다양하기 때문에 업계에서는 범용 양자 컴퓨터라고도 불린다. 구글의 양자 컴퓨터는 아날로그와 디지털을 통합해 하이브리드 방식을 채택 중에 있다. 사용 소자에 따라 초전도 큐비트 형, 스핀 큐비트 형, 이온트랩 형 등 다양한 방식으로 개발한다.

활용

블록체인

양자 컴퓨터를 활용해 응용프로그램을 개발하는데, 그중 현재 금융분야에서 활용되고 있는 블록체인 기술을 물류에 적용하는 것도 관심을 받고 있다. 공급망은 여러나라에 걸쳐 있는데 여러 당사자들이 상품을 중심으로 복잡하게 연계가 되어있다. 블록체인 기술을 사용할 경우 공급망 내 디지털 거래의 안전성과 신뢰성이 매우 높아질 것으로 기대된다. 이에 따라 IBM 연구자들은 디지털 지문 형태의 암호앵커(crypto-anchors)라는 이름의 좁쌀보다 작은 디지털 지문을 연구중에 있다. 암호 앵커는 제품에 내장되어 제품의 신뢰성을 증명하는 등 블록체인과 연결해 활용할 수 있다.

AI

AI시스템은 자신이 훌련을 받는데 활용되었던 데이터에 크게 의존한다. 데이터에 편차가 있는 경우 AI시스템과 실제 이용하는 세계와의 관련성이 낮아지는데, IBM은 AI시스템이 독립적으로 공정함을 판정 가능한 시스템을 만들어 이같은 문제를 해결할 수 있다고 하며 인간의 더나은 의사결정이 가능하도록 할 수 있다고 한다. 또한 양자 컴퓨터는 AI 기술을 통해 구동하는 로봇에도 활용가능하다. 플랑크톤등 물의 변화에 매우 민감한 생물을 이용해 호수나 강등의 실시간 상태,정보를 얻을 수 있다. 이에 자연 서식지에서 플랑크톤을 관찰할 수 있는 소형 AI 구동 로봇 현미경을 개발 중에 있다.

리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)

슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자컴퓨터 개발을 목표로 2013년 설립된 미국 기업이다. 설립자 채드리게티(Chad Rigetti)는 예일대학(Yale University)에서 수년동안 양자컴퓨터 연구에 종사해 실제 IBM의 양자컴퓨터 개발에도 참여했다. 2016년 2월에 3 큐비트 양자 프로세서를 개발해 2017년에는 8큐비트 양자 컴퓨터에 대한 테스트를 진행했다. 2017년 도에 초전도 양자 프로세서 19Q를 사용해 업계 최초로 비지도 머신 러닝을 시연했다. 양자알고리즘 개발 인프라인 포레스트를 클라우드로 공개 후 양자 알고리즘에 대한 테스트를 진행하며 지속적으로 버전 업을 추진하였다.

한계

• 큐비트 제어

고전 전자 컴퓨터는 전류의 흐름을 통제하는 것만으로 기초 연산자인 비트를 제어 가능하다. 하지만 양자역학적 현상을 일으키는 큐비트를 만들어서 제어하는 것 자체가 현재로서는 어렵다는 것이다. 현재는 초전도체 등을 이용해야 제대로 된 제어가 가능하다. 또한 큐비트의 제작 및 제어 뿐만아니라 소프트웨어적인 문제도 존재하는데, 양자컴퓨터의 연산방식이 전자컴퓨터와는 많이 다르기 때문에 효과적으로 이용하기 위해서는 새로운 알고리즘이 필요하다. 큐비트를 쉽게 제어할 수 있는 획기적 기술이 등장한다고 해도 적합한 알고리즘이 나오지 않는 한 양자컴퓨터는 제대로 사용되기 어렵다. 이렇듯 연산방식이 다르기 때문에 현재로서는 전자 컴퓨터가 하는 일을 양자 컴퓨터가 할 수 있을지에 대한 의문이 존재한다.

• 고가

양자컴퓨터는 민감한 프로세서를 관리하고 초전도 상태를 유지해야 하기 때문에 온갖 장치들을 붙이고, 그러다 보니 덩치도 커진다. 자연히 용도도 제한됐는데도 불구하고 천만달러 이상의 고가를 유지하고 있다. 워낙 고가이다 보니 사용하는 곳도 없어지고 NASA나 구글등이 전부이다. 이마저도 완전한 양자컴퓨터를 구현하지 못한다. 디웨이브는 양자 CPU에서 처리된 연산 결과를 외부의 컴퓨터가 다시 읽는 구조이다. 즉 사실상 반만 양자 컴퓨터라는 의견도 존재한다.

전망

시장조사기관 가트너(Gartner)에 따르면 글로벌 기업들이 양자컴퓨팅 프로젝트에 투자하는 예산이 2017년에 1%에 미치지 않았다. 그러나 2023년에 20%에 이를 것으로 예상하며 지난 2년동안 양자 컴퓨터에 대한 문의가 매년 3배이상씩 증가하고 잇다고 밝혔다. 상업적으로 사용가능하고, 가격적으로 수용가능하며 안정적인 품질의 양자 컴퓨터는 산업을 변화시킬 잠재력을 보유하고 있다고 평가 하였다. 또한 국토안보연구부(Homeland Security Research)는 세계 양자컴퓨터 시장이 2024년에는 100억 달러 규모를 넘어설 것으로 전망하며 양자 컴퓨터 기술이 빠른 속도로 성능이 향상되고 있어 2018년-2024년 동안 연평균 성장률이 24.6%에 이를 것으로 예상했다.

첨부자료

• 〈양자컴퓨터〉, 《한경 경제용어사전》
• 신찬옥기자,〈알파고 넘는 `양자컴퓨터` 온다〉, 《매일경제》.2019-05-15
• 조성선 수석, [양자컴퓨터 개발 동향과 시사점], 《정보통신기술진흥센터》, 2018-02-23, P.9-18
• 안효균기자, 〈IBM이 뽑은 미래 이끌 '5대 혁신기술'…양자컴퓨터·블록체인 등〉, 《NEWSIS》, 2018-03-30
• D군의 This play, 〈[https://blog.naver.com/youngdisplay/221463754479 0과 1 그리고 큐빗(qubit), 드디어 상용화된 양자컴퓨터〉, 《네이버블로그》, 2019-02-18
• 중국신화법률, 〈5년후 양자컴퓨터가 세상을 뒤집는다.〉, 《네이버블로그》, 2018-09-25
• 디지털도서관, 〈무어의 법칙과 양자컴퓨터〉, 《네이버블로그》, 2018-04-01

같이 보기

• 컴퓨터
• 양자
• 양자역학
• 양자암호
• 양자얽힘
• 양자통신
• 큐비트
• 블록체인

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