2019 년은 양자 컴퓨팅이 광휘가 넘치던 해로 말할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 올해 많은 혁신을 이루었을뿐만 아니라 많은 혁신적인 애플리케이션을 생산했다. 예를 들어, 독일의 HQS는 양자 컴퓨터를 통해 화학 엔지니어링을 효과적으로 시뮬레이션 할 수 있다고 발표했다. 벤츠는 양자 컴퓨터를 사용해 새로운 배터리 재료를 개발할 계획이며, 폭스바겐은 양자 컴퓨터를 통해 현실세계의 교통 최적화상태 등을 테스트한다.
이오씽크탱크(亿欧智库)가 최신 발표한 <2020 과학 경향보고>중, 퀀텀 컴퓨팅 기술은 기술선별과 핵심 지표 평가를 통해 2020 년 이후 주요 개발 트렌드로 선정되었다.
양자 컴퓨팅은 양자 역학에 기반한 새로운 계산 방식으로, 양자 중첩 및 얽힘 등 물리적 특성을 이용하고, 미세 입자로 구성된 큐 비트를 기본 단위로 사용하며, 양자 상태의 제어된 진화를 통해 데이터의 스토리지 계산을 구현하며, 양자컴퓨팅은 양자 처리기, 양자코딩, 양자 알고리즘, 양자 소프트웨어 및 주변보안 등 많은 과학기술 과정을 포함한다.
큐비트, 양자컴퓨팅의 긴 트랙을 쌓는 단위
양자 컴퓨팅의 개념은 20세기 1980 년대 초 Richard Feynman과 Yuri Manin에 의해 처음 제안되었으며 양자현상이 잠재적인 컴퓨팅 능력을 구비하는 발전 전망을 초보적으로 묘술했다.
1985 년 옥스퍼드 대학교의 David Deutsch는 양자 컴퓨터의 개념모델, 즉 범용 컴퓨터 (또는 양자 튜링 머신)를 제안했지만, 양자 컴퓨팅은 이때부터 수학의 기본형태를 구비하기 시작했고, 임의의 일종 양자 알고리즘은 고르게 범용양자컴퓨터의 실현에 이용할 수 있었다.
1998 년에 IBM, Oxford, Berkeley, Stanford, MIT의 연구원들이 최초로 2 비트 컴퓨팅 시스템을 생산했으며 이로부터 양자 컴퓨팅 경쟁이 시작되었다.
표 1) 출처: CB insight. 1998~2020년 양자컴퓨터의 큐비트수 발전과 예측
모두 큐비트의 의의에 대해 익숙하지 않을 것이고 양자 컴퓨터의 컴퓨팅 성능은 큐 비트의 수량에 의해 결정된다. 큐 비트를 설정하고, 양자 게이트를 이용하여 큐비트들을 얽힌 상태로 만들어 그것들의 다양한 상태가 나타날 가능성을 조종하며 이로써 병렬 계산 능력에 도달한다. 따라서 큐 비트 수는 양자 컴퓨터의 성능을 측정하는 중요한 지표 중 하나이다.
2018 년 Google은 72 큐 비트 칩을 성공적으로 개발했으며, 이 양자 칩의 오류율은 1 %에 불과하며 실제 사용 요구를 충족한다고 발표했다. 2020 년 2 월 Intel 은 네덜란드 양자 기술 연구센터와 공동으로 개발한 저온 양자 제어 칩인 Horse Ridge가 동시에 최대 128 큐 비트를 제어할 수 있다고 발표했다. 스타트 업Rigetti Computing 도 128 큐비트 양자 컴퓨팅 시스템을 배치할 계획이라고 했다.
양자 컴퓨팅의 핵심 게임인 양자 처리기
IBM, Intel, Google등과 같은 거대기업은 큐 비트를 지속적으로 혁신했지만 모두 단지 양자처리기의 핵심 측면에서이며, 물리적 시스템을 통해서만 큐 비트 운반체를 구축하고 있다. 현재 세계에는 초전도체, 이온 트랩, 반도체, 중성 원자, 광양자 등 다양한 기술 노선이 형성되어 있다.
과학 연구계에서 광학 시스템, 이온 트랩 등의 기술은 일반적으로 양자 컴퓨팅 연구에 사용된다. 그리고 기업엔지니어링 방향에서 주류 기업은 초전도와 반도체 분야에서 획기적인 발전을 이루었다. 예를 들어 Google•IBM과 주요 기술노선을 초전도 시스템으로 했고, 인텔은 반도체 시스템으로 했다.
많은 주류 기술 노선 중에서 초전도 기술과 이온 트랩 기술은 현재 상대적으로 선도적인 우세를 가지고 있으며, 그중 초전도 양자 컴퓨팅은 현재 가장 빠른 일종의 고체 양자컴퓨팅 실현 방법을 진전시켰다. 2019 년 Google은 한 대의 53 큐비트의 초전도 양자 컴퓨터에서 랜덤 양자회선 샘플링 임무를 수행했으며, 슈퍼 컴퓨터 시뮬레이션과 비교하여 양자 컴퓨팅 원리와 기술 잠재력의 우세를 입증하고, 구글은 당시 바로 ‘양자 헤게모니’을 실현했다고 선언했다.
그 후 IBM은 구글의 주장에 반박을 제기하고 구글의 ‘양자 헤게모니’에 결함이 있음을 입증하고, 슈퍼 컴퓨터의 계산능력을 통해 비교한 결과 증명되었다고 주장하면서, 2.5일만에 구글 양자처리기의 계산 임무를 완성했다고 했다. 양방 중 최종적으로 누구에 의해 증명된 것이 정확한지 관계없이 Google 실험이 양자 컴퓨팅의 절대적 우위를 입증하고 양자 컴퓨팅의 첫 단계에서 중요한 돌파구를 마련한 것은 부인할 수 없다.
여기서 양자 헤게모니가 무엇인지 설명할 필요가 있다. 양자 헤게모니는 양자 우월성이라고도 한다. 즉, 미래 어느 시점에서 강력한 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터에서는 거의 불가능한 작업을 완료하고 고전 컴퓨터가 따르는 ‘무어의 법칙’을 타파할 수 있다. 예를 들어 수만 년을 걸려 해독할 수 있는 원본의 암호를 하루만에 해독하고 통용되는 인공 지능을 구현하는 등이 그렇다.
구글, IBM 등 거대기업이 양자 헤게모니를 놓고 경쟁하는 이유는 양자 헤게모니에 제일 먼저 진입하는 것이 기업 기술력의 가장 좋은 증명일뿐만 아니라 동시에 기업에 거대한 비즈니스 가치를 가져다주기 때문이다.
2019 년 말, 중국과학기술대학 (中科大)은 Bose 샘플링 방면의 연구에서 성공으로 광양자 기술 노선을 한 단계 따라잡았지만, 전체 응용 상황의 관점에서 현재 어떠한 노선도 양자 컴퓨팅 실용화 조건을 완전히 충족할 수 있는 것은 없다.
양자 알고리즘, 양자 컴퓨팅 발전을 촉진하는 ‘활력제’
양자처리기를 적용한 후 특정 문제를 해결하려면 해당 알고리즘이 있어야한다.
양자 알고리즘 측면에서 1994 년 Bell 실험실의 응용 수학자인 Peter Shor는 양자 병렬 컴퓨팅을 기반으로 하는 다수의 소수 분해 알고리즘을 제안했으며, 양자 컴퓨팅이 당시 널리 사용하던 공개 키 SPA 시스템을 손상시킬 수 있음을 증명했다. 1996 년 Bell실험실의 Grover는 분류되지 않은 데이터베이스를 신속하게 검색할 수 있는 양자 검색 방법을 제안했다. Shor알고리즘과 Grover알고리즘은 양자 컴퓨터에 대한 가능한 실제 응용을 찾아냈고 양자알고리즘의 전형이라 불린다.
그 이후로 QEA 알고리즘, Grover 알고리즘, HHL 알고리즘, 양자 유전자 알고리즘, 양자 개미군 알고리즘을 포함한 다양한 알고리즘이 끊임없이 등장하여 양자컴퓨팅의 병행처리해결의 구체적인 계산 문제를 해결하기 위한 중요한 지원을 제공했다. 양자처리기에 기반한 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼은 알고리즘 연구 응용 발전의 주요 형태가 되었다.
현재 양자 알고리즘의 발전 속도는 양자처리기의 연구 개발 속도보다 훨씬 더 빠르다. 왜냐하면 대부분의 회사는 양자 칩 컴퓨팅 방식의 고전적인 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하기 시작하여 가상화된 환경하에서 양자 알고리즘 연역을 수행하고, 양자 알고리즘이 성숙한 후 다시 전용 양자 칩의 설계를 역으로 추진하여 특정 분야의 구체적 문제를 해결한다.
예를 들어 2017 년 IBM은 세계 최초의 범용 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스를 출시했다. 2018 년에 최초의 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼이 성공적으로 출시되었다. 중국과학원 양자정보& 양자과학기술혁신연구원과 알리바바 클라우드는 초전도 양자 컴퓨팅 방향에서 11 비트의 클라우드 액세스 초전도 양자 컴퓨팅 서비스의 출시를 발표했다. 2019 년 화웨이는 HiQ 양자 클라우드 플랫폼을 기초로 Kunlun 양자컴퓨팅 시뮬레이션 일체기를 출시했으며, Microsoft, Amazon등과 같은 인터넷 대기업도 연이어 퀀텀 클라우드 플랫폼을 출시했다.
양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼에는 두 가지 주요 이점이 있다. 한가지는 사용자가 클라우드의 양자처리기에서 사용자 정의의 각종 양자회선코드를 실행할 수 있으며, 이는 처리기의 성능, 기술 병목 현상 등을 이해하는 데 사용될 뿐만 아니라 차세대 처리기 개발과 개선된 응용을 축적하는 경험에 도움이 된다. 다른 한가지는 고전적인 컴퓨터 시뮬레이션 양자 칩의 작동 원리와 작동 논리를 통해 양자 알고리즘과 소프트웨어를 앞장서 개발하고 검증한다.
전용양자컴퓨팅의 서광이 막 나타났으나 범용양자컴퓨팅의 임무는 중하고 갈 길은 멀다
기존컴퓨터와 비교하여 양자 알고리즘은 파격적인 연산능력을 갖고 있고, 차세대 정보기술과 인공지능에 따른 방대한 데이터 처리 문제를 해결하는 데 있어 고전 컴퓨팅과는 비교할 수 없는 거대한 정보 휴대와 강력한 병렬 처리 능력을 갖추고 있다. 현단계에서 양자 컴퓨팅의 주요 응용 목표는 대규모 데이터 최적화 처리와 특정 계산상 곤란한 문제를 해결하는 것이다.
산업 차원에서 양자 컴퓨팅은 정부, 기업, 학술 기관의 협력 합작 개발 패턴을 형성했으며 오류 용인 양자와 데모 양자에서 이정표급의 진전을 이루었지만 여전히 실용화되기까지는 비교적 먼 길이 남아있다. 비록 D-Wave와 IBM 모두 이미 상업용 양자 컴퓨터를 보유하고 있다고 선포했지만, 양자 컴퓨팅의 진정한 상용화까지는 아직도 상당히 먼 길이 남아있다.
양자 컴퓨터의 발전에는 세 단계가 있으며, 제 1단계는 양자 헤게모니다. 제 2 단계는 실제 양자 시뮬레이터의 실용화로 기계 학습, 약물 개발 분야에 적용할 수 있다. 제 3 단계는, 양자 컴퓨터는 범용 프로그래밍 가능 수준에 도달하여, 수억 퀀텀 비트를 서로 조종하여, 오류를 용인할 수 있는 양자 컴퓨터를 실현할 수 있다.
최종 실용화단계로 보자면, 양자 시뮬레이터와 범용 양자 컴퓨터는 분자 구조 분석, 인공 지능, 빅 데이터 처리, 암호화 기술 방면에서 파괴적인 영향력을 가질 것이고, 양자 컴퓨팅의 장기 발전 목표가 될 것이며 에너지공학, 생명과학기술, 우주 항공, 정보 통신, 빅 데이터, 클라우드 컴퓨팅 등의 상업 분야에 응용될 것으로 기대된다.
