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중진(中金)회사 : 정치국 집단학습 퀀텀테크 관련 산업 전략적 발전기회 주목

출처:KIC China 발표 시간:2021-03-16 16:28:00 조회 수:
발표 시간:2021-03-16 16:28:00
중국 공산당 중앙정치국은 2020년 10월 16일 양자 과학 연구와 응용 전망에 대해 제24차 집단학습을 개최했고 쉐치쿤 원사가 양자 과학 기술에 대해 보고했다. 시 주석은 중국 양자 과학 기술 발전의 접점과 돌파구를 마련하여 기초 연구, 전방 기술, 공학 기술 연구개발을 총괄하고, 양자 통신 등 전략적 신흥 산업을 육성하며, 양자 과학 기술 국제 경쟁 고지를 선점하고, 새로운 우세를 구축해야 한다고 지적하였다.
중진의 견해: 중진과학기술팀은 지난 1년간 지속적으로 양자 과학 기술 관련 연구 성과를 발표하였다. '디지털경제미래편' '2020년 AI 대보고서' '전방과학기술#2: 양자계산' 등에서 지적했듯이 양자컴퓨팅은 신약개발/암호학 및 인터넷 전복/인공지능 가속화, 양자통신으로 정부/금융 등 통신정보의 절대적 안전을 보장한다. 중국은 양자 계산과 미국에 아직 약간의 차이가 있지만, 본원 양자/양선 과학 기술 등의 회사는 이미 배치되어 있다. 중국은 양자통신 세계 1위 그룹으로, 방패양자/신주디지털 등이 양자통신망 구축에 참여하고 있다. 양자기술을 선진기술의 하나로 보고 과학연구에서 응용으로 전환하는 중요한 시기에 열리는 이번 회의에서 국내 양자계산/양자통신의 발전을 가속화할 수 있을 것으로 기대되며 관련 산업의 전략적 발전 기회를 주시할 것을 건의한다.
양자테크놀로지는 양자역학의 기묘한 원리에 기초해 새로운 과학기술 혁명과 산업 변혁을 선도할 것으로 기대된다.
양자컴퓨터는 양자역학의 원리에 기초하여 구축한 컴퓨터다. 자태를 재는 원리가 양자계를 움직이게 한다. 계산기는 퀀텀비트(quubit)당 2진법 중 0과 1을 동시에 표시해 고전 컴퓨터보다 산력이 폭발적으로 늘어나는 '양자우월성'을 이룬다.
실제 문제를 해결하는 과정에서 CPU는 한 문제의 여러 부분을 순서대로 계산하는 '직렬' 계산, GPU는 '병렬' 계산으로 한 문제를 여러 개의 작은 문제로 나눈 후 동시에 각각의 작은 문제의 일부로 연산하는 '직렬' 계산, QPU는 양자의 중첩성을 이용해 문제의 여러 가능성을 빠르게 훑으며 정답을 찾는다. 이미지적으로 CPU 계산력은 비트수 n의 성장에 따라 선형 n, GPU의 계산력은 비트 수 n의 성장에 따라 동급 n×n, QPU의 계산력은 비트 수 n의 성장에 따라 멱지수 2n을 기록했다.
도표: CPU, GPU, QPU 개념 및 원리 대비
 
자료출처: CSDN, 중김회사 연구부
양자컴퓨터의 효율성을 구체적으로 설명하기 위해이들은 CPU, GPU, QPU를 동시에 적용해 해결하는 문제가 있다고 가정한다. 이상적인 상태에서 CPU 기반의 고전 알고리즘 시간 복잡도가 O(N2)라면 GPU 병렬 컴퓨팅을 거쳐 최적화되면 가동 시간은 O(N)로 낮아지고 QPU 기반의 새로운 양자 알고리즘 시간 복잡도는 O(N2)에 불과하다.
실제 가동 중 CPU가 GPU로 데이터를 전송하는 등 조작하는 데 시간이 걸리고 QPU가 가동 결과를 얻기 위한 확률 분포를 여러 차례 관측하는 데도 시간이 걸린다. 문제 규모가 작을 경우 CPU 실제 가동 시간은 적을 수 있지만 문제가 커지면 최종 가동 시간은 CPU;GPU;QPU 배열로 바뀐다.
도표: CPU, GPU, QPU 컴퓨팅 효율 대비 - CPU 알고리즘에 대한 시간 복잡도 O(N2)
 
자료 출처: CSDN, 중금 회사 연구부 주: 본 그림은 단지 개념적으로 "양자 우월성"을 설명한다.
현재 양자 컴퓨터 하드웨어 설비의 기술 노선은 여전히 통일되지 않아, 서로 다른 회사와 과학 연구 기관이 시식하고 있다. 서로 다른 기술 방안을 연구해 보자, 과학자들은 초전도 컴퓨터와 이온 농도 컴퓨터가 가장 먼저 상업적인 응용 프로그램을 실현할 수 있을 것이라고 생각했다. 하드웨어뿐 아니라 양자 알고리즘 및 관련 소프트웨어도 풍부해야 한다. 지금까지의 경력을 보면 10~15년 내에 양자컴퓨터의 상용화가 가능할 것으로 보는 전문가가 많다. 양자컴퓨터의 상업적 응용에 대한 구체적인 조건은 아직 예측하기 어렵지만 양자비트의 위수, 오류율, 상관기간 등의 파라미터는 비교적 높은 참고 가치를 지닌다고 본다.
도표: 양자 컴퓨터의 주요 기술 노선
 
자료 출처: 중국컴퓨터학회 청년컴퓨터과학기술포럼, 중김회사 연구부주: 본 도표의 시점은 2020년 4월이다.
도표: 양자컴퓨터의 산력은 양자비트의 증가에 따라 증가하며 오류율의 감소에 따라 증가한다.
 
자료 출처: IBM 홈페이지, 중금회사 연구부 주: 본 도표의 시점 2019년
도표: 주요 과학 기술 거두의 양자 계산 배치
 
자료출처: 각사 홈페이지, 중김사 연구부
도표: 양자 계산 발전 역사
 
자료출처: IBM 홈페이지, 구글 홈페이지, 중김회사 연구부
현재, 질적 인수를 분해하는 데 사용되는 Shor 양자 알고리즘은, 무질서한 데이터베이스 검색에 사용된다. 소의 그로버 양자 알고리즘은 모두 이미 이론적으로 알고리즘의 복잡도가 고전 알고리즘보다 우수하다는 것이 증명되었다. 과학자들은 양자 계산의 미래가 희망적이라고 생각한다.
1) 신약개발을 가속화하고 양자계산 천연은 분자특성을 시뮬레이션하는 데 능해 컴퓨터 디지털 형태로 인류가 직접 대형 분자성상을 획득할 수 있도록 돕고 이론 검증기간을 대폭 단축해 코로나19 백신, 항암제 개발에 가속도가 붙을 것으로 기대된다.
2) 암호학과 인터넷을 뒤집고, 구글은 2012년에 성공적으로 분해되어 21에 3,7을 얻었으며, 현재 분해할 수 있는 가장 큰 숫자이며, RSA 암호화 알고리즘의 해독과는여전히 거리가 있다. 인터넷 암호화 정보의 해독은 수년이 지나야 가능하지만, 현재의 중요한 암호화 정보(예를 들어 중요 비즈니스 계약서)를 '도청'해 보관한 뒤 양자계산 하드웨어가 성숙하면 해독하는 방법이 있다. 양자 계산의 '위협'에 따라 정부·금융을 비롯한 기관들은 양자통신 등의 기술을 사용해 정보 전송을 보호하는 추가 암호화를 검토하게 된다.
3) AI 가속화로 오늘날 AI가 우리 삶을 조금씩 바꿔가고 있지만 AI에 대한 인류의 기대는 여기서 그치지 않고 한 차원 높은 AI를 실현하는 것이 미래 진로다. 앞으로 양자컴퓨팅 하드웨어의 성숙과 양자 인공지능(AI) 알고리즘의 발달로 딥 인공지능(AI) 장면 구현에 도움이 될 것으로 보인다.
도표: 양자 계산 적용 사례
양자통신은 양자암키분발(QKD)과 양자암흑전태 등 2대 기술로 나뉜다. 현재 양자 스텔스 전태 기술은 실험실 단계에 있으며, 이미 실제 적용된 양자 키를 위한 기술이다. 기존 암호기술이 '해독이 안 되는 것이 아니라 해독이 어려울 뿐'이었던 것과 달리, 양자키 배포기술은 이론적 완비증명을 갖추고 있어 임의의 양자계산과 비양자계산 해독 위협에 견딜 수 있다는 장점이 있다.
전 세계 양자 계산에서 '1초다강(超多强)' 구도를 보이고 있다.
미국은 양자 계산 구도 안에 비교적 이르고 또한 비교적 적극적인 것이다. 게이머 중 한 명인 미국 회사는 지속적으로 하드웨어의 최첨단 기술을 선도한다. 2019/10 구글은 53-큐빗 초전도 양자컴퓨터에 '양자우월성'을 구현했다고 발표했다. IBM은 2020/8, 27-큐빗 초전도 양자컴퓨터를 QV64[4]에 성공했다고 발표했다. 2020/9.Honeywell은 QV128에 성공했다고 발표했다. 2020/9, IBM은 2023년에 1,121-qubit 양자컴퓨터를 만들 계획이라고 발표했다. 이 밖에 독일·영국·일본 등도 잇따라 출범했고 분야의 발전 양자 컴퓨팅 계획이다.
도표: 전 세계 양자 계산 발전에 관한 정책
 
자료출처: 각국 정부 홈페이지, 중금회사 연구부
중국 정부도 양자 계산 기술을 적극적으로 추진하고 있다. 이후 '자연과학기금' '863' 프로젝트와 굵직한 프로젝트 등 연구 프로젝트를 가동하면서 양자산정의 전략적 위상을 여러 차례 언급했고, 양자산정의 기술 개발과 산업화 정착을 지원했다. 중국 기업들도 양자산정 하드웨어/ 알고리즘/소프트웨어 등에서 적극적으로 추격하고 있다.
2020/9, 본원 양자에서 자체 개발한 양자컴퓨팅 클라우드 플랫폼을 전 세계 사용자에게 공개하며, 본원 양자에서 자체 개발한 6-큐빗 초전도 양자컴퓨터 오원을 기반으로 한다. 2020/10, 퀀텀스핀 테크놀로지는 양자 클라우드 플랫폼 '황소자리'를 발표하고 자체 개발한 NMR 양자컴퓨터를 백엔드로 연결한다.
도표: 중국 양자 계산 발전에 관한 정책
 
자료출처: 각 정부 홈페이지, 중김회사 연구부
이번 회의가 열린 후 산/학/연이라고 생각한다. 퀀텀 컴퓨팅에 대한 관심을 더욱 높이고 기술 개발 및 관련 산업 투자에 박차를 가할 전망이다.
도표: 양자 계산 배치 주요 회사
중국의 양자 통신은 전 세계에서 선두적인 수준에 처해 있다.
양자 통신은 현재 이미 초보적인 상용 조건을 갖추고 있다. 중국 정부/금융 등의 부문의 추진 하에 중국은 이미 전 세계에서 가장 많은 규모의 서브 통신 네트워크를 건설하였다. 첨단 수요, 정책 구동에 의해 정부(허페이/제난/우한/하이커우/구이양 등 정부부처), 금융(인민은행/공상은행/중국은행/건설은행/농업은행/포발은행/후이상은행 등 금융기관), 에너지(국가전력망) 등의 부문/기관에서 양자통신 네트워크 투자 건설의 물결을 점차적으로 열어가고 있다. 중국 과학기술대학이 주도하는 '묵자호' 양자통신 위성은 베이징상하이간선/우허간선/베이징성역망(上海城域網) 등 지상 양자통신망 구축에 참여해 천지양자통신을 지원한다. 2018년 말 현재 중국이 구축한 실용화 광섬유 양자비밀통신망 총연장(광케이블 피장 길이)은 7,000여 km에 이른다. 중국은 현재 전 세계 각국이 지속적으로 양자 간 부호화를 추가 배치하는 추세에서 네트워크 정보 보안 형세가 날로 심각해지고 있으며, 중국의 양자 통신 네트워크는 배치를 가속화할 것으로 본다.
도표: 북경 상해 간선/양자호 위성 광역 양자 통신 설명도
양자 계산 하드웨어/ 알고리즘/소프트웨어 개발, 예상보다 못함양자통신 투자는 기대에 못 미쳤다.
출처: 중진회사