일본산업뉴스요약

심층단면
양자컴퓨터 개발 경쟁
과제해결·AI성능향상, 주목 받는「Annealing 방식」

인공지능(AI)의 성능을 비약적으로 높일 수 있다고 알려져 있는 양자컴퓨터. 예전에는「꿈의 계산기」로 불렸지만, 2011년 캐나다의 D-Wave Systems이 상용화에 성공, 구글과 미국항공우주국(NASA) 등이 연이어 도입해 화제가 되었다. 현재 세계에서는 어떠한 개발 경쟁이 펼쳐지고 있을까?

-- 무수한 선택지에서 최적의 해답을 --
현재의 컴퓨터는「0 (Off)」아니면「1 (On)」의 이진법을 이용해 계산한다. 이진법에서는 언제나 0아니면 1로 값이 이루어진다. 이에 반해 양자컴퓨터는 양자역학 법칙을 바탕으로「0」과「1」의 중첩 상태를 정보처리의 기본단위(양자비트)로 계산한다. 대규모 병렬계산이 가능하기 때문에 슈퍼컴퓨터를 훨씬 뛰어넘는 능력을 가지고 있다.

양자컴퓨터를 정의하는 데에는 몇 가지 방식이 있다. 「양자 게이트 방식」은 정통파 양자계산기로, 오랜 기간 연구되어 왔다. 지금까지는 이것이 실현되기까지 상당한 시간이 걸릴 것이라고 여겨져 왔으나, 구글이 49개의 양자비트를 구비한 계산기를 2017년 중에 시작(試作)한다고 발표. 5년 내의 실용화를 계획하고 있다.

IBM도 3월, 앞으로 수 년 뒤에 최대 50개의 양자비트를 가진 계산시스템을 구축, 클라우드 상에서 사업화할 방침을 밝혔다. 이처럼 두 회사가 49개 이상의 비트 수를 지향하는 것은, 그것이 현재 슈퍼컴퓨터 성능의 벽을 깰 수 있는 하나의 척도이기 때문이다. 그러나 지금은 십 수개 정도의 비트 수에 머물러 있는 실정이다.

이에 반해, 최근 주목 받고 있는 것이 디-웨이브가 채택한「양자 어닐링 방식」을 이용한 계산기이다. 이것은 양자역학에 따른 어닐링(소둔 열처리)로, 양자 효과를 이용해 해답이 될 수 있는 모든 후보를 균등한 무게로 중첩시키고, 그 중에서 높은 확률을 가진 최적의 답을 찾는 방식이다.

이와 같은 방식의 원리는 일본에서 만들어진 것으로, 1998년에 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 교수팀이 이론을 제창했다. 통계역학의「스핀 글라스」(스핀이 무질서한 방향으로 정렬해 굳어버리는 상태)에 대한 연구에서 착상을 얻은 것이라고 한다.

양자 어닐링 방식은「조합최적화 문제와 AI의 핵심기술인 기계학습을 위한 샘플링이 목적」(니시모리 교수). 사회의 많은 현상은 방대한 수의 선택지에서 최적의 답을 골라내는 조합최적화 문제로 귀결된다. AI의 지적 성능을 높이는 관점에서 전세계의 IT기업이 주목하고 있다.

디-웨이브의 계산기가 실제로 양자 효과를 이용해 움직이고 있는가에 대해 과학계에서는 뜨거운 논쟁이 있었다. 니시모리 교수는「일정 수준 이상의 양자 효과가 관측되는 등, 거의 정착되어가고 있다」라고 설명한다. 양자 어닐링 계산기는 양자 컴퓨터로서 인정받기 시작하고 있다.

▶ 양자컴퓨터의 주요 계산 방식의 비교

주도권의 행방 「게이트 방식」과 절차탁마
일본, 기초 연구에서 존재감 발휘 

6월 26부터 29일까지, 양자 어닐링 전문회의인 국제회의(AQC 2017)가 일본 도쿄 마루노우치(丸の內)에서 처음으로 개최되었다. 이 회의에서 구글 양자인공지능연구소는 자체 개발한 새로운 계산기 회로 방식을 발표. 또한 미국 메사추세츠 공과대학(MIT) 연구자는 미국이 설립한 어닐링 계산기 개발 프로젝트를 소개했다.

D-웨이브는 1월에 발매한 기존 모델 대비 2배인 2,000개의 양자비트를 가진 신형 계산기「2000Q」를 자세히 발표했다. D-웨이브는 구글과 NASA, Lockheed Martin, 독일의 폭스바겐(VW) 등을 고객으로 보유. 폭스바겐은 미래의 자율주행 시스템에 양자 계산기를 이용할 것으로 전망되고 있다.

일본에서는 산업기술종합연구소가 양자 어닐링 장치를 위한 프로세스 기술을 보고, 이화학연구소 채(蔡) 팀 리더는 계산기의 기본 소자가 되는 최신 초전도 양자회로를 보고했다. D-웨이브와 공동 연구하는 Recruit Communications는 양자계산기의 이용 및 활용을 위해 도입된 사례를 소개했다. 일본은 기초 연구에서는 존재감을 드러냈지만, 양자계산기 시스템에 대한 보고는 없었다.

양자 게이트와 양자 어닐링은 기존의 컴퓨터 기능을 완전히 대체할 수는 없는 것으로, 아직까지는 특정 용도에 한정되어 있다. 구글은 기존 컴퓨터와 양자계산기의 하이브리드형(型)도 검토하고 있어, 향후 모든 각도에서 연구가 추진될 것이다. 앞으로 어떤 방식이 양자컴퓨터의 주도권을 장악할 수 있을지 주목된다.

기초 연구에서 응용으로
실기의 등장은 커다란 진전
니시모리 히데토시(西森 秀稔)/ AQC 2017 조직위원장

- AQC 2017의 감상에 대해 말한다면?
「지금까지 기초 연구에 머물러 있었던 양자 어닐링 분야가 응용으로 확대되었다. 실제로 하드웨어로 만들어졌기 때문에 성능도 평가하기 쉬워졌다 질과 양의 두 가지 측면에서 연구가 급속히 확대되고 있다고 느끼고 있다」

- 이번에 인상 깊었던 발표는 어떤 것이었나요?
「하드웨어의 성능을 단숨에 높였다라는 등의 화려한 성과는 없었지만, 전체적으로 착실하게 진전되고 있다는 인상을 받았다. 한편, 이론에서는 디-웨어가 계산기 상에서 복잡한 스핀 글라스의 시뮬레이션을 최초로 성공했다. 앞으로 이처럼 시뮬레이터로서의 용도도 확대되어나갈 것이다」

- 양자 어닐링 방식은 일찍이 실용화되었지만, 용도는 한정되어 있습니다.
「이론을 바탕으로 실제 기계가 만들어지고, 이것이 세계적인 흐름을 형성한 것은 큰 진전이다. 양자 어닐링은『최적화 문제용』이라고 하는 제약은 있지만, 용도에 있어서는 확실히 진보하고 있다. 그리 멀지 않은 미래에 AI의 성능 향상에 있어 불가결한 존재가 될 것으로 기대하고 있다」

산업으로의 활용
모노즈쿠리의 고도화

AI의 성능을 높이는 양자컴퓨터는 신약 개발과 정확한 일기예보, 모노즈쿠리(장인정신)의 고도화 등의 산업에도 도움이 된다. 조합 최적화 문제 가운데 대표적인 것은 최단 경로를 필요로 하는「순회 샐러리맨 문제」로, 대도시의 교통체증 해소 및 무선 주파수의 효율적 할당, 새로운 소재 모색 등에 위력을 발휘할 것으로 전망된다.

한편, 조합최적화 문제를 해결하는 계산기로서, 내각부의 ImPACT프로젝트에서는「레이저 네트워크 방식」개발을 추진, 후지쓰와 히타치제작소는 기존의 반도체 회로를 이용한 계산기를 개발한다. AQC에서도 발표한 후지쓰연구소의 다나카(田中) 특별연구원은「양자 어닐링 계산기가 풀고자 하는 문제는 집적도가 높은 기존 반도체 기술로도 충분히 해결할 수 있다」라고 말한다.

  -- 끝 --