양자컴퓨터

양자컴퓨터(quantum computer)는 양자얽힘(entanglement)이나 양자중첩(superposition)과 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 데이터를 처리하는 컴퓨터이다.

개요

양자컴퓨터는 1965년 리차드 파인만(Richard Feynman)이 처음 제안한 개념으로 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 4분 만에 풀 수도 있다. 양자컴퓨터를 사용하면 기존 컴퓨터로는 연산하기 어려웠던 많은 양의 데이터를 빠른 속도로 처리할 수 있기 때문에, 인공지능(AI), 암호, 기후, 교통 등 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상된다.

등장배경

초기 컴퓨터는 진공관을 이용하여 너무 크고 무겁다는 단점을 가지고 있어 전화기를 만들었던 벨 연구소(Bell Labs)에서 트랜지스터(transistor)를 개발하면서 크기가 작아지기 시작했다. 계속해서 기술이 발전하여 트랜지스터를 집적시킨 IC칩이 개발되어 컴퓨터는 오늘날의 크기를 가지게 되었는데, 트랜지스터의 크기는 14나노미터로 HIV 바이러스보다 직경이 8배 작고 적혈구보다 500배나 작으며, 현재에는 컴퓨터의 부품들이 원자 크기에 가까워지기 시작했기 때문에 기술이 더욱 발달하여 IC칩을 더욱더 작게 만드는 것은 물리적인 한계에 다다랐다. 트랜지스터가 원자 크기에 가까워지면, 원자 크기만 클 줄어들어 양자 터널(tunnel effect)에 의해 막혀있는 통로를 그냥 톨과 해 버릴 것 이다. 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있는 양자역학의 불확정성 원리에 의해 통로를 통과하면 스위치의 역할을 하는 트랜지스터가 기능하지 못하게 되며, 과학자들은 이러한 양자의 속성을 컴퓨터의 장점으로 만들기 위해 노력했고 양자 컴퓨터가 등장할 수 있었다.

역사

디웨이브2(D-Wave 2)

양자컴퓨터는 물질의 양자적 성질을 활용해 디지털 컴퓨터 보다 압도적인 연산 능력으로 주목받는 분야이다. 양자컴퓨터의 개념은 1982년 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)에 의해 처음 제안되었으며, 1985년 영국 옥스퍼드대학교(University of Oxford)의 데이비드 도이치(David Deutsch)에 의해 구체적인 개념이 정립되었다. 그 후 1985년 IBM에서 정부 차원의 지원을 받으며 처음으로 본격적인 양자컴퓨터 연구를 시작했다. 미국에서는 암호해독 관심이 높은 국방성과 CIA, 국가안보국(NSA) 등에서 지속해서 큰 관심을 두고 지원했다. 1997년, IBM이 아이작 추앙(Isaac L. Chuang)이 최고의 2큐비트 기반의 양자컴퓨터 개발에 성공했다.

이후 2011년 5월, 캐나다 기업인 디웨이브즈(D-Waves)가 최초로 128큐비트의 상용 양자컴퓨터 디웨이브 1(D-Wave 1)을 개발하고 양산하기 시작해 양자컴퓨터 상용화의 발판을 마련했다. 디웨이브1 출시 당시 양자컴퓨터의 진정한 의미와 맞는가에 대한 논란이 있었으나, 구글 과 나사(NASA)의 실험 결과 특정 문제에 대해 1억 배 이상의 처리속도 향상을 확인하였다. 2013년 5월 디웨이브즈는 512큐비트 기반의 양자컴퓨터인 디웨이브 2(D-Wave 2)를, 2015년과 2017년에는 각각 디웨이브 2X, 디웨이브 2,000Q를 개발하였다. 디웨이브즈는 현재까지 양자컴퓨팅을 활용한 최초의 기업이자 최초로 양자컴퓨터를 상용화한 기업이라고 평가받고 있다.

특징

디지털 방식의 구현으로 양자 컴퓨터를 구현하는 방식은 아날로그 방식과 디지털 방식 두 가지가 있다. 아날로그 방식은 디웨이브즈, 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 양자컴퓨터라고도 불린다. 구글의 양자 컴퓨터는 아날로그와 디지털을 통합해 하이브리드 방식을 채택 중이다. 사용 소자에 따라 초전도 큐비트 형, 스핀 큐비트 형, 이온 트랩 형 등 다양한 방식으로 개발한다.

양자컴퓨터는 기반을 둔 컴퓨터이다. 양자컴퓨터의 단위로 큐비트는 양자를 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 양자비트라고 한다. 하나의 큐비트가 더해질 때마다 성능은 두 배로 올라간다. 17큐비트는 6큐비트보다 $2^{11}$ 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(Bitcoin) 같은 암호화폐 채굴도 지금과 비교가 안 될 정도로 쉬워진다.

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 중첩 현상, 양자얽힘 현상, 불확정성 원리 등 양자가 가지는 3가지 특징을 가지며 다음과 같다.

• 양자중첩(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 중첩 이라고 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.

• 양자얽힘(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. 즉 20개의 큐비트가 있으면 $2^{20}=1,048,576$, 100만에 달하는 값들을 동시에 저장할 수 있으니 많은 차이가 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 예측할 수 있게 된다.

• 불확정성 원리

불확정성 원리는 서로 다른 특징을 갖는 상태의 중첩에 의해 측정값이 확률적으로 주어지게 되는데, 이를 응용한 양자컴퓨터에서는 이른바 큐비트라 불리는 양자비트 하나로 0과 1의 두 상태를 동시에 표시할 수 있다. 따라서 데이터를 병렬적으로 동시에 처리할 수도 있고, 또한 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량도 기하급수적으로 늘어나게 된다. 즉 2개의 큐비트라면 모두 4가지 상태$(00,01,10,11)$를 중첩하는 것이 가능하고 $n$개의 큐비트는 $2^{n}$ 만큼 가능하게 되므로, 입력 정보량의 병렬 처리 때문에 연산 속도는 기존의 디지털 컴퓨터와 비교할 수 없을 만큼 빨라진다. 수학에서 시간이 오래 걸리는 난문제로 유명한 소인수분해를 예로 들 때, 지금의 컴퓨터로는 250디지트(2진 단위)의 수를 소인수분해 하려면 80만 시간이 걸릴 것이라고 예상된다고 한다. 1000디지트 수라면 $10^{25}$ 시간이 필요하며, 이는 우주의 나이보다도 더 많은 시간이다. 그러나 양자컴퓨터로는 몇 십분 정도면 충분할 것이고, 또한 현재의 컴퓨터로는 해독하는데 수백 년 이상 걸리는 암호체계도 양자컴퓨터를 이용하면 불과 4분 만에 풀어낼 수 있다.

활용

IBM

IBM

IBM의 산업용 양자컴퓨터 : Q 시스템 원(Q System One)

IBM은 향후 5년 내에 미래를 이끌어갈 기술로 양자 컴퓨팅을 첫손가락에 꼽는다. 양자 컴퓨터는 양자역학을 이용해 자료를 처리하는 컴퓨터로, 전통적인 컴퓨터가 0 또는 1로 구성된 이분법으로 연산한다면 양자 컴퓨터는 두 가지가 중첩될 수 있는 큐비트(Qubit) 라는 양자적 상태의 조합으로 연산을 처리한다. 이 때문에 양자 컴퓨터는 대규모 계산과 특정 문제 해결 능력에 있어 한계를 보이는 오늘날의 슈퍼컴퓨터를 압도할 것으로 예상된다. IBM은 지난 5년 동안 새로운 기술에 380억 달러를 투입했으며, 투자는 매우 현실적이어서 기업을 변화시키는 데 도움이 된다. 현재 산업계는 양자 컴퓨터를 어떻게 사용할 수 있을지 발견해가는 단계에 있으며, IBM의 연구 부서는 앞으로 업계가 양자 컴퓨터에 적용할 수 있는 응용 프로그램을 개발할 수 있을 것으로 보고 있다.

IBM은 양자 영역에서 앞서가는 기업 중 하나로, 이 회사는 기능을 갖추고 상용화할 수 있는 양자컴퓨터를 최초로 개발하기 위해 경쟁하고 있으며, 2019년 1월 IBM은 최초의 상업용 양자컴퓨터인 Q 시스템 원(Q System One)을 개발했다고 발표했지만, 이 프로토타입은 양자컴퓨터에 대해 기대했던 상업용 애플리케이션의 전체 영역에 대해 아직 준비되지 않았다고 판명됐다.

• 블록체인을 통한 상품 연결

양자 컴퓨터를 활용해 응용프로그램을 개발하는데, 그중 현재 금융 분야에서 활용되고 있는 블록체인 기술을 물류에 적용하는 것도 관심을 받고 있다. 공급망은 여러 나라에 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 연구 중에 있다. 암호 앵커는 제품에 내장되어 제품의 신뢰성을 증명하는 등 블록체인과 연결해 활용할 수 있다.

• 인공지능

플랑크톤은 물의 변화에 매우 민감한 생물이다. 따라서 플랑크톤에 대한 연구를 통해 바다, 호수, 강 등의 상태에 대한 실시간 정보를 얻을 수 있게 된다. 하지만 이 생물에 대해 현재까지 알려진 것이 별로 없어 샘플을 연구실로 보내야만 연구를 할 수 있다는 한계가 있다. IBM은 이 연구 분야를 발전시키기 위해 자연 서식지에서 플랑크톤을 관찰할 수 있는 소형 AI 구동 로봇 현미경을 개발하고 있다. 인공지능(AI) 기술을 통해 로봇이 수집한 정보를 실시간으로 연구자에게 보내는 것은 물론 연구자의 비정상적인 행동에 경고를 보낼 수도 있다. 인공지능 시스템은 자신이 훈련을 받는데 활용되었던 데이터에 크게 의존한다. 데이터에 편차가 있는 경우 인공지능 시스템과 실제 이용하는 세계와의 관련성이 낮아지는데, IBM은 인공지능 시스템이 독립적으로 공정함을 판정 가능한 시스템을 만들어 이런 문제를 해결할 수 있다고 하며 인간의 더 나은 의사결정이 가능하도록 할 수 있다고 한다. 또한 양자 컴퓨터는 인공지능 기술을 통해 구동하는 로봇 에도 활용 가능하다. 플랑크톤 등 물의 변화에 매우 민감한 생물을 이용해 호수나 강등의 실시간 상태, 정보를 얻을 수 있다. 이에 자연 서식지에서 플랑크톤을 관찰할 수 있는 소형 인공지능 구동 로봇 현미경을 개발 중이다.

• 미래 보장형 보안

양자 컴퓨터의 시대가 오면 양자 컴퓨터는 수백만 가지 경우의 수를 이용해 암호 시스템을 무력화할 수 있기 때문에 현재의 암호화 프로토콜은 제 역할을 하지 못할 가능성이 높다. IBM은 격자(lattice) 암호화 기술을 제안한다. 이 기술은 격자로 알려진 복잡한 수학 문제 내에 암호를 숨겨 양자 컴퓨터도 해킹이 어렵게 하고, 현재의 기술상으로는 사용자가 암호를 입력하고 데이터에 접근할 때 잠재적인 해커에게 노출될 수 있어, 새로운 기술을 활용하면 사용자가 해커에게 노출될 위험을 없애면서 보안 데이터에 접근할 수 있다. IBM에 대해 자세히 보기

리게티

리게티(Rigetti)

리게티(Rigetti)는 양자컴퓨팅과 관련하여 종종 등장하는 이름으로 양자컴퓨팅 분야에서 훨씬 더 큰 기술 대기업과 경쟁하면서도 크게 뒤처지지 않는다고 평가받았다. 리게티의 제품은 퀀텀 클라우드 서비스로 제공되며, 2013년에 설립된 버클리에 기반을 둔 리게티는 아마존이 투자한 벤처와 블룸버그 같은 주목할만한 곳에서 자금을 모으고 있고, 현재 비공개 베타 버전인 하이브리드 양자컴퓨팅 플랫폼을 개발했으며, 하이브리드 양자컴퓨팅 플랫폼은 양자 프로세서와 전통적인 프로세서의 힘을 결합한 것이다. 리게티의 창업자는 과거 IBM의 양자컴퓨팅 그룹에서 일했던 양자 컴퓨팅 물리학자인 채드리게티(Chad Rigetti)이다.

• 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)

미국 캘리포니아주 버클리에 있는 리게티컴퓨팅은 슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 양자컴퓨터를 연구개발 중인 스타트 업(Start-up)이다. 리게티컴퓨팅의 설립자 채드 리게티는 예일 대학(Yale University)에서 수년 동안 양자 컴퓨터 연구에 종사해 실제IBM의 양자컴퓨터 개발에도 참여했다. 이후 2013년 유명 액셀러레이터인 Y-콤비네 이 터(Y-Combinator) 등으로부터 펀딩을 받아 리게티컴퓨팅을 설립했다. 리게티컴퓨팅은 2016년 2월에 내부적으로 2개의 양자 컴퓨터를 작동시키고 있으며, 양자컴퓨터 개발을 위한 양자 IC(Quantum Integrated Circuit)를 개발했으며, 양자 IC는 양자 기술을 IC(집적회로)화 하는 기법으로 3개의 큐빗을 탑재할 수 있는 양자 칩을 개발한 데 이어 2017년에는 8큐비트 양자 컴퓨터에 대한 테스트를 진행했으며, 리게티컴퓨팅은 양자 알고리즘 개발 인프라 포레스트(Forest)를 공개 후 양자 알고리즘에 대한 테스트를 진행하며 지속해서 버전 업을 추진하였다.

포레스트는 양자 컴퓨터와 기존의 컴퓨터를 연결하는 하이브리드 알고리즘을 개발할 수 있는 독특한 아키텍처(Architecture)가 될 것이다. 아키텍처는 사용자 요구사항을 논리적으로 분해한 것을 기반으로 개념적, 논리적, 물리적으로 표현함으로써 설명될 수 있는 것을 말하며, 이에 많은 벤처캐피탈(Venture Capital)들은 리게티컴퓨팅의 양자컴퓨터 개발에 막대한 자금을 투자하고 있고, 유명 벤처캐피탈인 안드리센 호로비츠(Andreessen Horowitz) 등에서 총 6,400만 달러가량의 투자를 유치해 양자컴퓨터 상용화를 위한 연구개발을 가속화하고 있다. IBM은 2017년 11월 50큐빗 양자컴퓨터 프로토타입 개발에 성공했다. IBM에 따르면, 20큐빗과 50큐빗 두 양자 컴퓨터가 큐빗을 양자 상태에서 최대 90 마이크로 초 동안 유지했다. 스타트업 리게티컴퓨팅이 지속적인 투자를 바탕으로 현재까지 꾸준한 연구성과를 이루고 있어 IBM과 구글의 뒤를 바짝 쫓고 있다. 리게티에 대해 자세히 보기

디웨이브

디웨이브(D-Wave)

디웨이브(D-Wave)는 양자 영역에서 파장을 일으키는 작은 회사로, 2018년 말에 디웨이브는 최초의 실시간 양자 응용 환경인 리프(Leap)를 출시해 실시간 양자컴퓨터에 대한 원격 접근을 제공했다. 디웨이브는 주요 자동차 제조사에 첨단 자동차 기술을 제공하는 선도기업인 덴소(DENSO)와 제휴를 맺어 공장 자동화를 15% 향상할 수 있다고 발표했으며, 또한 폭스바겐과 직접 손잡고 택시 교통 관리 시스템을 개발했다.

• 디웨이브즈의 양자컴퓨터 활용

1. 락헤드마틴(Lockhead Martin) : 2010년 말 128큐비트의 디웨이브 1을 최초 구매한 락헤드마틴은 USC의 정보과학연구소(Information Sciences Institute)에 디웨이브 1을 설치한 후 시스템 잠재력 공동 연구했다. 2013년 이를 디웨이브 2로 업그레이드하고, 신약 설계나 수백만 라인의 소프트웨어 코드 순간 디버깅 등 다양한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 연구했다. 이후 2015년엔 디웨이브 2X로 업그레이드하여 비행 제어시스템, 통신 및 작동 확인 등 항공기 설계에 활용하였다.
2. 퀼(QuAlL) : 2013년 구글, 나사, URSA가 공동 설립한 양자 인공지능 연구소인 퀄은 디웨이브 2를 구입했다. 구글 연구팀은 음성인식부터 웹 검색까지 모든 분야에서 정확한 모델을 구축하는데 양자 시스템이 얼마나 도움이 되는지를 연구했고, 나사에서는 양자 컴퓨팅 및 양자 알고리즘이 항공 교통제어나 자율주행, 로봇, 스케줄링 등의 분야에서의 최적화 작업을 수행하기 위한 알고리즘을 향상하기 위한 연구에 초점을 맞추었으며, URSA에서는 컴퓨팅 시간 할당 등 운영 관리를 하였다.
3. LANL : 2015년 미국 국가 안보 관련 종합 연구 기관인 LANL은 디웨이브 2X를 도입해 2016년 초에 설치하였다. 에너지부, 일부 대학 등과 협력해 양자 어닐링(annealing) 기술의 기능과 응용 분야를 연구하였다.
4. USC : USC는 디웨이브 시스템을 정보과학연구소에 설치하여 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 가능하도록 지원하는 걸 목적으로 한다. 디웨이브에 대해 자세히 보기

아이온큐

아이온큐(IonQ)

아이온큐(IonQ)는 현재까지 가장 강력한 양자컴퓨터를 만들었다고 광고하고 있다. 큐비트에 갇힌 이온을 사용하기 때문에 다른 양자컴퓨터와는 약간 다르고, 이를 개별 원자에 대한 정보 저장이라고 부르며, 새로운 아이온큐 시스템의 큐비트는 희귀 원소인 이터븀이 진공상태로 있는 개별 원자로, 이 이온 포획 기술은 구글이나 IBM과 같은 이 기술 분야의 다른 기술 기업들이 실리콘 칩에서 큐비트를 만들어 제로로 냉각시키는 방식과는 거리가 있다. 아이온큐는 2016년에 메릴랜드대학 물리학자인 크리스 몬로와 듀크대학교 전자공학자인 김정상 교수가 뉴 엔터프라이즈 어소시에이츠(New Enterprise Associates)에서 200만 달러의 자금을 지원하고 메릴랜드대학과 듀크대학에서 핵심 기술에 대한 라이선스를 취득해 설립한 회사이며, 아이온큐는 GV, 아마존 웹 서비스, NEA로부터 2,000만 달러를 모금했다.

번스타인 바지 라니(Bernstein-Vazirani) 알고리즘 테스트에서 아이온큐의 컴퓨터는 1024가지 변형을 각각 500번 해결하려고 시도했고, 전체적으로 78%의 단일 시도로 정답을 식별했다. 더 어려운 히든 쉬프트(Hidden Shift) 알고리즘의 경우 아이온큐 컴퓨터는 시험의 35%에서 한 번의 시도로 정답을 찾았다. 히든 쉬프트 알고리즘은 10개 이상의 오류가 발생하기 쉬운 2큐빗 게이트를 포함하여 35에서 50개의 양자 논리 게이트를 필요로하기 때문에 정확도가 낮아질 것으로 예상되며, 이에 비해 기존의 컴퓨터는 한 번의 시도로 번스타인 바지 라니 및 히든 쉬프트 문제의 0.1%만 정답을 맞췄다. 아이온큐에 대해 자세히 보기

구글

구글(Google)

구글(Google)도 양자컴퓨팅 분야에 뛰어들고자 노력하고 있다. 실제로 구글은 디웨이브와 제휴해 개발한 디웨이브 투(D-Wave Two)로 알려진 양자 컴퓨터의 테스트에서 나사(NASA)와 제휴했다. 구글 인공지능(AI)팀이 양자 분야에서 일하는 것으로 알려졌으며, 현재 구글의 우선순위는 양자 프로세서를 구축하고 머신러닝을 위한 컴퓨팅 작업을 가속하기 위해 새로운 양자 알고리즘을 개발하는 것으로 구글이 이 분야에서 주목하는 분야로는 초전도 큐비트 프로세서, 큐비트 계측, 양자 시뮬레이션, 양자 보조 최적화, 양자 신경망 등이 있다.

앞서 구글은 9큐빗 프로세서를 개발했었는데, 양자 우위를 가르는 50 큐비트(qubit)을 넘어 72큐비트 프로세서를 개발해 꿈의 컴퓨터라 불리는 양자 컴퓨터 개발에 선보였다. 양자 우위(quantum supremacy)는 양자 컴퓨터가 디지털 컴퓨터의 성능을 앞서는 것을 말하며, 2011년 이 말을 처음 쓴 미국 물리학자 존 프레스킬(John Phillip Preskill)은 양자 우위를 달성하는 데 있어 50큐비트가 중요한 이정표가 될 것이며, 큐비트는 디지털 컴퓨터의 데이터 연산, 기록 단위인 비트에 대응하는 양자 컴퓨터 단위이다. 구글은 미국에서 열린 연례행사 미국 물리학회(American Physical Society)에서 브리슬콘(Bristlecone)이라 명명한 72큐빗 칩을 선보였다. 구글에 대해 자세히 보기

한계

• 큐비트 제어 : 고전 전자 컴퓨터는 전류의 흐름을 통제하는 것만으로 기초 연산자인 비트를 제어할 수 있다. 하지만 양자역학적 현상을 일으키는 큐비트를 만들어서 제어하는 것 자체가 현재로서는 어렵다는 것이다. 현재는 초전도체 등을 이용해야 제대로 된 제어가 가능하다. 또한 큐비트의 제작 및 제어뿐만 아니라 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.

• 높은 가격 : 양자컴퓨터는 민감한 프로세서를 관리하고 초전도 상태를 유지해야 하므로 온갖 장치들을 붙이고, 그러다 보니 덩치도 커진다. 자연히 용도도 제한됐는데도 불구하고 천만 달러 이상의 고가를 유지하고 있다. 워낙 고가이다 보니 사용하는 곳도 없어지고 나사 나 구글 등이 전부이다. 이마저도 완전한 양자컴퓨터를 구현하지 못한다. 디웨이브는 양자CPU에서 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 2년 동안 양자 컴퓨터에 대한 문의가 매년 3배 이상씩 증가하고 있다고 밝혔다. 상업적으로 사용 가능하고, 가격으로 수용 가능하며 안정적인 품질의 양자 컴퓨터는 산업을 변화시킬 잠재력을 보유하고 있다고 평가하였다. 또한 국토 안보연구부(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.

• 아직까지 양자컴퓨터는 현재의 컴퓨터를 대체하기보다는 기존의 컴퓨터가 풀지 못하는 문제를 풀기 위해 이용될 것 이라고 예측되며, 양자컴퓨터는 주로 여러 가지 답을 동시에 계산할 수 있는 비결정론적 튜링 기계로서 다양한 원인과 요소들을 고려하면서도 공식처럼 적용되는 표준 해법이 존재하지 않는 복잡한 문제들을 빠르게 해결할 수 있다. 따라서 현재의 컴퓨터로도 정확도가 부족한 날씨를 예측하거나 화학작용의 촉매제 탐색, 인공지능, 로켓 발사 시스템과 암호해독과 같은 데이터를 탐색하고 계산하는데 적용된다면 현실과 똑같은 가상현실을 체험할 수 있을 것이다.

첨부자료

• LG사이언스랜드 공식 홈페이지 - http://lg-sl.net/product/infosearch/curiosityres/readCuriosityRes.mvc?curiosityResId=HODA2007111446#a
• 디웨이브 공식 홈페이지 - https://www.dwavesys.com/
• 〈양자컴퓨터〉, 《한경 경제용어사전》
• 신찬옥기자,〈알파고 넘는 `양자컴퓨터` 온다〉, 《매일경제》.2019-05-15
• 조성선 수석, 〈양자컴퓨터 개발 동향과 시사점〉, 《정보통신기술진흥센터》, 2018-02-23
• 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〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-18
• 중국신화법률, 〈5년후 양자컴퓨터가 세상을 뒤집는다.〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-25
• 디지털도서관, 〈무어의 법칙과 양자컴퓨터〉, 《네이버 블로그》, 2018-04-01
• 서정욱 기자, 〈스타트업 ‘리게티컴퓨팅’ 양자컴퓨터로 구글·IBM에 맞짱〉, 《IT뉴스》, 2018-01-23
• Laurie Clarke, 〈양자컴퓨터 개발 중인 IT기업은 어디?〉, 《시오코리아》, 2019-02-25
• 〈IonQ, 양자 컴퓨터의 벤치 마크 발표〉, 《인사이드HPC》, 2019-03-24
• 방은주 기자, 〈구글 , 양자컴퓨터 개발 새 장...72큐빗 칩 선보여〉, 《지디넷코리아》, 2018-03-12
• 소라, 〈4차 산업혁명 주요 기술〉, 《폴리텔리》, 2018-11-21

같이 보기

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

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