양자역학적 현상을 이용하여 복잡한 계산을 매우 신속하게 해결하는 양자 컴퓨터에 대해 배웁니다.
양자 컴퓨터의 원리, 활용 분야와 국내외의 개발 상황 등을 간단하게 소개하고 싶습니다.
양자 컴퓨터의 원리
양자 컴퓨터는 양자 역학의 중복(Superpostion)*과 얽힘(Entanglement)** 현상을 사용하여 계산을 수행하는 컴퓨터를 말합니다.
중첩 현상은 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 있다는 의미입니다.
동전 던지기를 생각해 보면 매크로 세계에서는 전면과 뒷면 중 하나만 나타나지만 마이크로 세계의 양자 세계에서는 동전의 전면과 뒷면이 동시에 존재할 수 있습니다.
얽힘은 양 양자 상태가 서로 얽혀 있는 경우 양 양자 상태의 거리가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 관측에 의해 하나의 양자 상태가 결정되는 순간, 즉 즉시 다른 양자의 상태도 결정된다.
현상이다.
지금까지 데이터 정보의 최소 단위로 비트를 사용하고 데이터 값이 0 또는 1 인 바이너리 방법을 준수하는 컴퓨터를 사용해 왔습니다.
이와 달리, 양자 컴퓨터는 큐비트(qbit)를 정보 최소 단위로 사용하며, 양자역학의 중첩 원리로 인해 0과 1이 공존할 수 있습니다.
따라서, 종래의 컴퓨터의 비트 조작이 2개의 정보를 처리할 때, 양자 컴퓨터의 큐 비트는 4개의 정보를 처리할 수 있다.
또, 양자역학의 얽힘 현상에 의해, 큐비트가 얽히게 할수록 연산 가능한 정보의 양이 2ⁿ(2의 n제곱)씩 증가해, 종래의 컴퓨터보다 훨씬 빨리 계산을 할 수 있게 됩니다.
필요성과 활용 분야
양자 컴퓨터의 계산 속도는 현존하는 슈퍼 컴퓨터보다 이론상 30배 이상 빠른 것으로 알려져 있습니다.
계산 속도가 빠르면 무엇이 좋을까요? 2022년 기준으로 세계 1위의 슈퍼컴퓨터는 미국 오클리지 연구소의 프론티어 컴퓨터로, 그 계산속도가 초당 100경도 연산을 하는 1엑사플롭스(exa-flops)가 됩니다.
그런데, 이러한 고속 슈퍼 컴퓨터에서도 해결하기 어려운 문제가 여전히 존재합니다.
그 이유는 문제가 매우 복잡하기 때문입니다.
분자를 구성하는 원자의 상호작용을 문제는 각 전자가 모두 상호작용을 하기 때문에 기존의 슈퍼컴퓨터를 이용하여 계산할 수 있는 모델의 크기가 제한적이어야 한다.
세상이 점점 부작함에 따라 해결해야 하는 문제도 점점 복잡해지는 것을 보면, 양자 컴퓨터의 탄생은 아무래도 매우 당연한 현상이라고 생각됩니다.
그렇다면 이러한 양자 컴퓨터를 활용하는 대표적인 분야에는 어떤 것이 있습니까?
2021년 발행된 매킨지 보고서에 따르면 신약 개발, 화학공학, 자동차 및 금융 분야가 양자 컴퓨터 도입 초기 단계에서 수익을 받을 것이라고 한다.
신약개발산업에서 하나의 신약이 개발되기 위해서는 평균적으로 10년 이상 개발비용이 20억 달러가 걸린다.
발견한 후에 최적화 단계로 진행할 수 있기 때문에 그 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
화학 공학 분야에서는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 분자간 상호작용, 움직임 및 특성을 근사하여 제품을 만듭니다.
그러나, 양자 컴퓨터에 의해 분자의 완전한 이해가 가능하게 되면, 신제품의 개발 기간을 극적으로 단축할 수 있다.
또한 화학 물질의 반응 메커니즘을 정확하게 이해하고 새로운 촉매 개발과 생산 공정의 변수 최적화를 통해 생산성을 향상시킬 수 있습니다.
자동차 분야는 유체역학적 최적화에 의한 에너지 효율을 향상시키는 자동차 개발 자체에서도 중요한 역할을 할 수 있어 공급망 최적화를 통해 공급망의 붕괴에 의해 매년 150억 달러 이상 발생하는 비용 절감 수 있습니다.
금융 시장은 안정적인 투자 포트폴리오를 만드는 데 도움이됩니다.
낮은 상관 관계를 가진 자산을 최적의 비율로 혼합하여 위험을 최소화하는 방법을 찾는 것은 많은 변수로 인해 거의 무한대에 가깝습니다.
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개발 상황
모든 분야에서 게임 체인저 역할을 할 수 있는 양자 컴퓨터 개발을 위해 미국, EU, 중국 등 주요 국가들은 시급한 정책 추진을 통해 양자 컴퓨팅의 핵심 기술 확보에 사활 있습니다.
국가정책의 추진과 함께 IBM이나 Google 등 글로벌 IT기업을 필두로 양자컴퓨팅 특화 스타트업, 국책연구소 및 대학이 연구개발의 주체가 되어 활발한 연구를 하고 있다.
IBM은 2022년 433큐빗급 프로세서 수프리를 선보이며 큐비트 규모의 경쟁에서 가장 선진하고 있으며, 자체 개발한 양자 컴퓨팅 프로세서를 이용한 IBM Q 서비스를 연구자들에게 제공하고 있다.
구글은 2019년 53큐빗급 프로세서 시커모어를 이용해 슈퍼컴퓨터에서 1만년 걸리는 계산을 불과 200초 만에 실시해 세계 최초의 양자 계산 우월성을 입증했다.
Google은 또한 양자 컴퓨터를 외부 사용자가 활용할 수 있도록 개방하고 있으며, 양자 기계 학습이나 양자 화학 라이브러리와 양자 컴퓨터 소프트웨어 개발 키트 등을 오픈 소스로 제공해 커뮤니티의 확대에 공헌하고 있다.
IonQ와 같은 스타트업은 구글과 IBM을 사용하는 초전도체 방식이 아닌 이온 트랩 방식을 활용하는 양자 컴퓨터를 개발해 2022년 현재 32큐빗급 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하고 있다.
또한 국책연구소나 대학에서도 큐빗 제작 및 제어에 관한 지적회화 연구를 활발히 실시하고 있으며, 한국도 2026년까지 50큐빗급 양자 컴퓨터 개발을 위해 표준과학연구원을 중심으로 대학과 기업이 함께 힘을 모으고 있다.