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Nikkei Computer_2017.6.22 특집요약 (p38~45)

양자컴퓨터, 슈퍼컴 9,000조 배의 파괴력
100 큐비트의 실현을 목표로

수많은 난제를 순식간에 해결하며 성능은 슈퍼컴퓨터의 9,000조(兆) 배인 양자 컴퓨터. 이런 꿈의 계산기, 양자 컴퓨터의 연구가 세계에서 급속도로 가속화되고 있다. IBM과 구글 등의 미국 업체는 시작기(試作機)를 공개. 유럽 연합 및 중국 정부도 연구 개발에 거액을 투자하고 있다. 「용도는 과학기술 분야에서 한정적일 것이다」라는 생각을 뒤엎고 산업 분야에서 응용 가능한 알고리즘이 돌연이 발견되어「당장 내일이라도 기업이 사용하게 될 가능성이 있다」라고 전문가들은 보고 있다. 9,000조 배의 파괴력을 가진 신기술의 현실을 따라가 보았다.

2017년 5월, 미국 IBM이 17개의「양자 비트(큐비트)」를 갖춘 프로세서를 시작했다고 발표했다. 당사에서 처음 상용화된 양자 컴퓨터용 프로세서의 시작품이다. IBM이 양자 컴퓨터의 상용화에 본격적으로 나서기 시작했다. 지니 로메티 CEO는 같은 해 3월기(期)의 실적 발표에서「양자 컴퓨터 등 신기술을 제공하여 기업의 복잡한 비즈니스 과제 해결을 위한 사업 변혁에 힘쓴다」라고 말했다.

IBM은 2016년 5월, 양자 비트 5개로 이뤄진 양자 컴퓨터를 조작할 수 있는 클라우드 서비스「IBM Quantum Experience」를 무상 제공하여 화제를 모았다. 공개로부터 약 1년동안, 100개국이 넘는 4만 5,000명이 사용하여, 약 30만번의 실증 실험을 거쳤다. 2017년 5월에는 양자 비트 수를 16개로 늘린 양자 컴퓨터의 베타 액세스를 공개했다.

IBM이 개발하는 양자컴퓨터는「양자 게이트 방식」으로 불리는 타입이다. 「0」과「1」의 비트를 기본으로 논리 회로(논리 게이트)로 연산하는 것은 기존의 컴퓨터와 동일하다. 일반 컴퓨터가 취급하는 비트는「0」과「1」중 어느 한 쪽을 나타내는 것에 반해, 양자 컴퓨터는「0」과「1」을 동시에 처리할 수 있는 양자 비트로 연산한다.

‘양자 중첩(양자 안에 둘 이상의 상태가 공존하는)’ 상태를 활용함으로써, 방대한 조합의 계산을 병렬 방식으로 실행할 수 있다. IBM이 발표한 17 퀀텀 비트(큐비트)라면 최대 2의 17승(乘), 13만1,072개 정도의 연산을 한 번에 풀어낼 수 있다.

-- 미국 IT기업이 연이어 참여 --
현재, IBM에 이어 양자 게이트 방식의 연구에 뛰어든 기업이 줄을 잇고 있다. 빅 플레이어 중 하나가 미국 구글이다. 인공지능(AI)의 연산을 고속화 할 수 있다고 판단, 개발을 추진하고 있다. 양자 게이트 방식의 권위자로 알려진 미국 캘리포니아대학 샌타바버라 캠퍼스(UCSB)의 존 마티니스 교수를 영입, 슈퍼 컴퓨터의 연산 능력을 훨씬 뛰어넘는 양자 컴퓨터의 실현을 목표로 한다.

미국 인텔은 2015년 9월에 네덜란드의 연구 그룹인「QuTech」에 5,000만달러(약 55억엔)을 출자하여, 인텔의 반도체 미세가공기술을 활용한 양자 컴퓨터를 개발한다. 미국 마이크로소프트는「토폴로지컬(Topological) 물질」로 불리는 재료를 프로세서에 사용한 양자 컴퓨터를 개발한다. 실제, 최초로 2016년 3월에 동작을 시뮬레이트(Simulate) 할 수 있는 소프트웨어「LIQUiD」를 공개했다.

-- 우주 스케일의 우월성을 지향한다 --
미국 IT기업이 연이어 양자 게이트 방식의 개발 경쟁에 뛰어든 이유는 양자 컴퓨터로 슈퍼 컴퓨터를 훨씬 능가하는 연산 능력을 실현할 수 있다라는 판단 때문이다.

마티니스 교수는 2016년 6월에 분자의 성질을 시뮬레이션 하는「양자 시뮬레이션」으로 불리는 알고리즘이면 50 큐비트(양자 비트의 줄임 말)의 양자 컴퓨터로 슈퍼 컴퓨터를 뛰어넘는「양자의 우월성」을 입증 할 수 있다고 학회에서 발표했다. 또한 그는 2017년까지는 49 큐비트를 실현할 것이라고 말한다.

스위스 연방공과대학의 연구 그룹은 슈퍼 컴퓨터를 사용해 시뮬레이션을 하면 그 계산 능력이 45~49 큐비트의 양자 컴퓨터와 동등하다고 2017년 4월에 발표했다. 50 큐비트의 양자 컴퓨터가 완성된다면 그 계산 능력은 슈퍼 컴퓨터를 상회한다. 「양자 시뮬레이션은 엄밀한 오차 수정이 불필요한 알고리즘이기 때문에 1 큐비트가 늘어나면 계산 능력은 2배가 향상된다」.

IBM이 공개하고 있는 16 큐비트의 양자 컴퓨터의 계산 능력은, 슈퍼 컴퓨터 성능을 47 큐비트에 상응하는 계산으로 21억분의 1정도가 된다. 만약 슈퍼 컴퓨터의 계산 능력을 인간의 신장(1.5미터)에 비유한다면, 16 큐비트 기기의 계산 성능은 탄소원자 정도의 크기밖에 되지 않는다고 할 수 있다.

한편, 구글의 연구팀에 참가하는 마티니스 교수는 100 큐비트를 넘기는 실현을 목표로 하고 있다. IBM Research의 연구그룹도 2016년 8월에 논문에서 100 큐비트 기기가 가까운 미래에 실현될 것이라고 발표했다. 「가까운 미래」를 5년 이내로 가정한다면, 2021년까지 100 큐비트를 실현할 수 있으며, 계산 능력은 단순 계산으로 슈퍼 컴퓨터의 9,000조배. 인간의 신장과 비교한다면 태양계의 반경에 해당하며, 우월성이라는 말에 상응하는 비약적인 성과이다.

-- “불안정”을 길게 유지하는 노력 --
양자의 우월성을 실증할 수 있게 된 배경에는 기술상의 브레이크스루(획기적 발전)가 최근 수년간 이루어졌기 때문이다. 수십 년에 걸친 기초 연구를 거듭 쌓아 온 결과, 드디어 양자의 우월성에 근접해지는 단계까지 갈 수 있었다.

양자 컴퓨터는 연산 방법 및 프로세서의 재료 등에 따라 복수의 방식으로 나눠지지만, 브레이크스루가 요구되는 항목은 동일하다. 「0」과「1」의 중첩 상태를 유지할 수 있는 평균시간「코히런스(간섭성) 시간」을 길게 하는 것이다. 중첩 상태는 금방 다른 상태로 변해버리는 불안정한 상태이다. 따라서 중첩 상태가 길게 유지될수록 보다 복잡하고 대규모의 연산을 실행할 수 있다.

게다가 양자 컴퓨터의 경우, 알고리즘에 따라서는 큐비트를 엄밀히 조작하기 위한 돌파구가 요구된다. 예를 들어 틀린 계산 결과를 수정하는「오류 정정」을 사용하는 알고리즘에서는 큐비트를 99% 이상의 정밀도로 조작할 필요가 있다. 오류 정정 처리에는 대량의 큐비트를 사용하기 때문에 큐비트를 집적화하는 기술 혁신도 필요하다.

-- 잇따른 브레이크스루(Breakthrough) --
구글과 IBM이 개발하는 양자 컴퓨터는 양자 게이트 방식 중에서도 초전도 회로를 통하게 하는 전류용으로「0」과「1」을 표현하는「초전도 큐비트(Qubit)형」으로 불린다. 이 타입은 코히런스(간섭성) 시간을 늘리기 힘들다는 약점이 있었다. 중첩 상태는 원자 등 나노미터 미만의 세계에서는 유지가 쉬운 반면, 1,000배 이상 큰 수인 마이크로미터의 회로에서 만드는 초전도 큐비트는「영향을 받는 범위가 넓어 불안정 상태가 되기 쉽다」(1999년에 처음으로 초전도회로의 큐비트를 만든 도쿄대학의 나카무라 교수).

초전도 큐비트의 돌파구를 가져온 것은 2012년의 IBM Research 그룹이다. 지금까지 2차원 평면상에 구성했던 초전도 회로를 3차원으로 구조화시킨 결과, Coherence 시간이 기존의 2~4배에 이르는 100 마이크로세컨드(1마이크로세컨드는 백만 분의 1초)까지 늘어났다. 또한 코히런스 시간의 연장으로 큐비트 조작의 정밀도가 실용 범위까지 올라갔다. 이런 기술혁명이 있었기 때문에「양자 컴퓨터를 개발할 수 있는 가능성이 열렸다」라고 IBM 리서치의 과학 및 솔루션 부사장 다리오 길 씨는 말한다.

양자 게이트의 실현방식에는 초전도 큐비트 형 외에도 전자 스핀용으로「0」과「1」을 표현하는「스핀 큐비트 형」이 있다. 스핀 큐비트는 초전도 큐비트에 비해, 주위로부터 영향을 덜 받는다. 케이오주쿠 대학의 이토(伊藤) 교수가 작성한 동위체 제어 실리콘이 브레이크스루가 되어 그것을 기반으로 호주의 연구그룹이 2014년에 코히런스 시간을 1밀리초(100분의 1초)로 늘렸다. 또한 요코하마 국립대학의 고자카(小坂) 교수 팀은   다이아몬드를 기판을 사용해 1만배가 되는 10초의 코히런스 시간을 달성했다.

큐비트(양자 비트)의 조작 정밀도에 대해서는 도쿄대학의 타루차 교수의 연구그룹이 2016년에 99.6%, 2017년에는 99.93%를 달성했다. 타루차 교수는「스핀 큐비트를 사용한 양자 컴퓨터는 기초연구가 중심 단계부터 집적화를 통해 연구를 시행하는 엔지니어링의 단계에 진입했다」라며 집적회로의 제조기술을 가진 기업에게 협력을 호소하고 있다.

스핀 큐비트의 약점은, 큐비트의 사이즈가 작기 때문에 큐비트 간에 상호작용이 가능한 회로를 만들기 어렵다는 점이다. 스핀 큐비트는 불순물 원자와 원자 결여라고 하는 작은 영역에 저장한 전자를 사용하기 때문에 전자를 저장할 장소가 조금이라도 다르면 상호작용이 크게 달라진다. 다시 말해, 큐비트를 구성하는 재료를 높은 정밀도로 가공할 수 있는 기술이 있다면 실현가능성이 커지게 된다.

-- 산업적 공헌도는 미지수 --

-- 미국과 유럽 전체가 투자액을 경쟁 --
산업 응용에 대한 불확실성을 가지고 있으면서도 미국에서는 양자 컴퓨터 연구에 고액의 투자가 모이기 시작했다. 양자 컴퓨터의 스타트업 기업인 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)은 2017년 3월에 6,400만달러(약 70억엔)의 자금 조달에 성공했다.

「미국에서 활발한 투자가 연이어 일어나면서 세계에서의 양자 정보분야의 연구도 속도를 내고 있다」라고 타루차(樽茶)교수는 말한다. 유럽에서 특히 자금을 모으고 있는 곳이 인텔로부터 출자를 받고 있는 네덜란드의 연구 그룹인「QuTech」이다. 당사는 네덜란드 정부로부터도 2015년에 10년 동안 1억3,500만 유로(약 162억엔)의 연구비를 지원받기로 했다.

그 밖에 영국은 2013년에 영국 공학∙물리 과학연구회의(EPSRC)에 5년간 2억 7,000만파운드(약 378억엔)를 양자 컴퓨터 연구비로 출자. 유럽연합(EU) 유럽위원회의 연구 프로젝트 연구 프로젝트인「양자 정보 플래그십」은 10년간 10억유로(약 1,200억엔)를 양자 컴퓨터 관련으로 각출한다는 방침이다.

고자카 교수는「그 중 가장 활발한 곳은 중국이다」라고 말한다. 중국은 양자 정보를 국가의 4대 중점과학기술 중 하나로 정해, 2015년에 중국과학원에 양자계산 실험실을 설치했다. 일본의 연구 프로젝트인 내각부에 따른 혁신적 연구개발추진프로그램(ImPCT)에서는 야마모토 프로그램 매니저 그룹이 레이저 네트워크 타입의 신형 양자 컴퓨터「양자 인공 두뇌」를 개발했다. 그러나, 프로젝트 자금은 5년 동안 30억엔 정도로, 구미(歐美)와 중국에 비해 1자릿수 이상 적은 것이 현실이다.

기초연구에서는 존재감 있는 일본이지만, 실용화를 위한 자금 면에서는 크게 차이가 나는 모양새이다. 고자카 교수는「지금 뛰어들지 않으면 기술과 노하우에서 해외와의 결정적인 차이가 벌어질 것이다」라고 위기감을 나타냈다.

● 실용화의 열쇠는 소프트웨어
캐나다의 D-Wave System이 2011년에 판매하기 시작한 양자 어닐링형(quantum annealing)의 상용기인「D-Wave」시리즈로 양자 컴퓨터가 주목 받는 계기가 되었다. 니시모리(西森) 교수는「발표한 시기가 AI가 주목을 받기 시작한 때여서 타이밍이 좋았다」라고 말한다. 기계학습의 연산이 양자 어닐링으로 풀릴 수 있다고 예상했기 때문이다.

양자 어닐링은 이징 모형(Ising model)이라는 통계시간을 양자 물성을 사용해 푸는「양자 이징 머신 방식」에 속한다. 복수의 거점을 통과하는 최단 경로를 찾는「순회 세일즈맨의 방식」 등은 이징 모형으로 표현되는 조합 최적화 문제의 알기 쉬운 예이다.

-- 후지쓰와 히타치는 고전형을 활용 --
일본에서는 D-Wave 기기에 대항하여 이징 모형의 문제를 고속으로 풀 수 있는 신형 컴퓨터가 잇따라 등장하고 있다. ImPACT 프로젝트를 이끌고 있는 야마모토(山本) 교수가 연구 및 개발을 주도하는「양자 인공 두뇌」는 D-Wave 기기와 같은 양자 이징 머신 방식의 양자 컴퓨터이며, D-Wave 기기의 유력한 대항마이다. 빛을 양자 비트로써 사용하여 조합 최적화 문제를 푸는 신형 컴퓨터로, 2016년 10월에 NTT와 공동으로 2,000 큐비트 장치를 개발했다. 「광 파라메트릭 발진기」라는 광원의 발명이 돌파구가 되어 완성에 이르게 되었다. 2017년 가을에는 클라우드 서비스로서 공개할 예정이다.

야마모토 교수 팀이 개발한 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터의 프로세서 1대와 비교했을 때, 30~50배 고속으로 계산이 가능했다. 야마모토 교수는「고전 컴퓨터로는 어떻게 해도 이길 수 없는 레벨까지 차이를 벌려 놓을 필요가 있다」라며 2018년 말에 10만 큐비트의 차세대 기기를 가동시킬 계획이다. 실현된다면 슈퍼컴퓨터를 한 층 더 뛰어넘는 성능을 발휘할 가능성이 크다.

후지쓰와 히타치제작소의 대응책은 양자 컴퓨터를 새롭게 개발하는 것이 아닌, 고전 컴퓨터이면서 이징 모형의 문제를 고속으로 계산하는 전용 프로세서를 개발한다는 것이다. 양자, 고전의 차이는 있어도 이징 모형에 기반을 둔 점은 동일하며, 연산 소프트웨어도 공통화하기 쉽다. 후지쓰는 D-Wave 기기용 연산 소프트웨어를 개발하는 캐나다의 1QBit(원큐비트)과 협력하여 신형 컴퓨터를 AI의 학습연산에 사용하는 클라우드 서비스를 2017년 중에 시작할 예정이다. 히타치는 2020년까지의 실용화를 목표로, IoT 기반인「Lumada」에 넣을 예정이다.

-- 주변 서비스가 충실해지기 시작 --
D-Wave 기기를 비롯한 조합 최적화 문제를 풀어내는 신형 컴퓨터는 양자 게이트 방식보다 먼저 보급될 전망이다. 니시모리 교수는「메인 장치의 개발 경쟁 때문에 실제 사용법을 고려한 주변 서비스의 개발 경쟁으로 트랜드가 옮겨지고 있다」라고 말한다.

예를 들어 D-Wave 기기의 실제 조합 최적화 문제를 사용하여 계산하려고 하면 문제를 D-Wave 기기로 계산할 수 있는 형태로 수정하여 장치를 제어하지 않으면 안 된다. D-Wave 시스템은 문제의 종류별로 툴키트(단일 기능의 소프트웨어 도구 세트)를 개발하고 있는 것 외에도, 1Qbit, 미국 큐시 웨어, 영국 캠브릿지 퀀텀 컴퓨팅 등, 양자 컴퓨터용 소프트웨어 개발을 전문으로 하는 기업도 등장하고 있다.

D-Wave 시스템은 각국의 정부기관용으로 컨설팅 서비스를 하는 자회사 D-Wave Government를 설립하거나 클라우드 형태로 제공하는 등, 주변 서비스를 확충하고 있다.

-- 「지금부터 양자의 우월성에 대비하자」 --
수 년 안에 특정의 문제를 순식간에 계산하는 컴퓨터가 클라우드 등에서 간편하게 사용할 수 있게 된다. 성능이 슈퍼 컴퓨터의 9,000조 배에 달하는 파괴력은 상상을 초월한다. 니시모리(西森) 교수는「지금 신형 컴퓨터를 사용하여 해결해야 할 문제를 미리 생각해 놓아야 한다」라고 말한다. 양자 초월성이 실현될 때, 그 준비를 해 온 기업과 그렇지 않은 기업과의 차이는 양자 우월성만큼이나 벌어지게 될 것이다.

 -- 끝 --