Nikkei Business_2017.9.25 Technology File 요약 (p68~71)

슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 꿈의 계산기, ‘양자컴퓨터’
D-WAVE Systems, IBM, Google, 후지쓰의 도전

기존의 컴퓨터에 비해 1억배 고속이라는 꿈의 기계. 캐나다의 벤처기업이 세계최초로 상용기기를 발표한 이래로 개발경쟁은 격화되고 있다. 실용성을 감안한 ‘쓰임새’에 대한 논의도 진행되고 있다. 꿈은 이미 현실이 되고 있다.

2018년도 예산의 개산 요구에 32억엔---. 문부과학성의 ‘양자컴퓨터’에 대한 집중 투자가 화제를 불러 모으고 있다. 10년간 수백 억 엔을 쏟아 부을 예정이지만, 미국과 유럽에서는 이미 자릿수가 틀린 자금이 움직이기 시작했다.

꿈같은 이야기로만 여겨지던 양자컴퓨터의 실용화가 돌연 현실감을 갖게 되었다. 2011년에 캐나다의 벤처기업의 디웨이브 시스템스(D-WAVE Systems)가 상용화된 이후, 미국 대형 항공기 제조 업체인 록히드마틴(Lockheed Martin)사 및 미국 항공우주국(NASA) 등이 연이어 채택했다. 미국 구글 등의 IT 대기업도 기술 개발을 본격화했다. 미국 IBM이 올해 5월에 최신 시작기를 공개하는 등, 개발경쟁은 한층 더 치열해 지고 있다.

양자컴퓨터가 획기적인 것은 압도적인 계산 속도이다. 최신 슈퍼컴퓨터로도 수백 년 걸린다고 하는 방대한 데이터 양의 계산을 순식간에 끝낼 수 있다. 처리능력은 기존 타입의 1억배가 될 것이라는 추산도 있다. 방대한 계산이 요구되는 제약 및 AI(인공지능) 분야에서 새로운 발견이 잇따를 가능성이 있다.

소비전력도 월등히 낮다. IT업계에서는 “앞으로 슈퍼 컴퓨터 한 대를 움직이게 하는 데 발전소가 필요하다”라는 말까지 들린다. CPU(중앙연산처리장치)로 인해 발생하는 열을 처리하는 것도 과제이다. 그러나 양자컴퓨터는 계산을 순식간에 끝내기 때문에 1세대 분의 가전과 거의 동일한 소비전력으로도 가능하다.

각 사가 양자 컴퓨터의 개발을 서두르고 있는 이유는 컴퓨터에 관한 지금까지의 상식을 완전히 바꿀 수 있다는 확신을 가졌기 때문이다.

-- 이진법과는 다른 계산방법 --
왜 양자컴퓨터는 기존 타입의 컴퓨터보다 고속 처리가 가능한 것일까? 기술 부문을 중심으로 해석해 보겠다. ‘양자’란 극히 작은 물질 및 에너지 단위를 가리킨다. 예를 들어 물은 H₂O라는 ‘분자’가 모인 것이다. 그 분자는 H(수소) 및 O(산소)라는 ‘분자’로 구성된다. 또한 분해하면 각각의 원자는 양자와 전자, 중성자로 구성되어 있다. 이것들이 양자의 대표적인 예로써 상당히 마이크로(Micro)한 영역이다.

이 마이크로 영역에서는 우리가 평상시에 보고 있는 세계와는 전혀 다른 일들이 일어난다. 그 중 하나가 ‘중첩(Superposition) 형태’로 불리는 것이다. 코인을 예로 들면 우리가 보고 있는 세계에서는 ‘앞’과 ‘뒤’가 각각 존재하는 반면, 마이크로 영역에서는 ‘앞’과 ‘뒤’가 마치 겹쳐있는 듯한 현상이 일어난다고 보고 있다.

양자 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’에 의한 2진법을 사용하여 계산한다. 전기 회로의 전압이 높은 상태를 1, 낮은 상태를 0으로 표현. 반도체를 사용하여 회로를 제어하여 순식간에 전압을 변환시킴으로써 계산한다. 이 0과 1이 컴퓨터의 최소 단위이며, ‘비트(bit)’라고 부른다.

예를 들어, 4비트의 정보는 2진법으로 ’0000’ ’0001’ ‘0010’ 등 16가지의 중첩으로 표현된다. 기존의 컴퓨터로 처리할 경우에는 한 개씩 순서대로 계산해 가기 때문에 합계를 내기 위해서는 16번의 계산이 필요하다.

이것을 ‘양자컴퓨터’로 전환한다면 어떻게 될까? ‘0’과 ‘1’이 중첩된 양자에서는 ’0000’ ’0001’ ‘0010’ 등을 ‘동시’에 표현할 수 있다. 16번의 계산을 1번에 완성할 수 있다는 것이다.

-- ‘무어의 법칙’은 종말로 --
실은, 기존 컴퓨터의 진보에 있어서는 한계가 보이기 시작했다. “반도체의 집적률은 18개월마다 2배가 된다”. 미국 인텔 공동창업자인 고든 무어 씨가 1965년에 제시한 ‘무어의 법칙’이다. 반도체 업계는 과거 50년간 회로를 미세화하는 등, 1개의 칩에 많은 트랜지스터를 탑재시켜 무어의 법칙을 유지해 왔다. 처리속도는 매년 향상되어 반도체의 기술 혁신은 대량의 데이터를 처리하는 현대사회의 기초가 되었다.

그 미세화 기술이 한계를 맞이하고 있음은 전문가들의 공통된 소견이다. 기술이 더욱 발전하기 위해서는 기존의 연장선이 아닌 별도의 기술에 의한 컴퓨터가 필요하다는 인식이 점점 높아졌다. 따라서 양자컴퓨터가 각광을 받게 된 것이다.

양자컴퓨터가 기존형 컴퓨터에 비해 월등한 점은 방대한 ’중첩’ 중에서 최적의 해답을 찾는 것이다. 유명한 예가 ‘순회 세일즈맨 문제’이다. 세일즈맨이 몇 군데의 방문 처를 1곳씩 모두 순회하여 자사에 돌아올 경우, 어떤 경로로 도시를 순회하는 것이 최적화된 경로인가를 찾는 문제를 가리킨다.

이것은 간단하게 보이지만 그렇지 않다. 자사를 포함한 순회 장소가 1곳 늘어날 때마다 중첩이 폭발적으로 늘어난다. 4곳의 경우에는 중첩이 3가지이지만, 10곳의 경우에는 중첩이 18만 1,140가지로 늘어 30곳의 경우는 4.42 X 10의 30승으로 늘어나게 된다.

이 문제를 풀기 위해서는 후지쓰와 이화학(理化學)연구소가 개발하여 1초간 1경(京) 번의 계산이 가능한 슈퍼컴퓨터의 ‘경’을 사용하더라도 1,400만년이 걸린다. 양자컴퓨터가 진보한다면 문자대로 ‘순식간’에 답을 도출해낼 수 있게 된다.

이와 같은 중첩의 최적화 문제를 고속으로 처리할 수 있게 된다면 다양한 사회과제의 해결로 이어질 수 있다. 한정된 금액의 범위 안에서 어떻게 투자 포트폴리오를 짤 것인가, 최적의 전력망을 어떻게 구축할 것인가, 방대한 분자의 조합으로부터 어떻게 새로운 약을 만들어 낼 수 있을까 등, 응용할 수 있는 문제는 주위에 아주 많기 때문이다.

이 꿈의 기술을 어떻게 사용할 것인가에 대한 실증실험도 진행되고 있다. 그 필두가 바로 독일의 폭스바겐(VW)이다. VW는 도심부의 교통량을 최적화하는 프로젝트를 올 3월에 발표. 중국 북경을 무대로 1만대의 택시 중에서 랜덤으로 약 400대를 도출, 그 위치 데이터를 사용하여 도심부와 공항을 잇는 최적화된 루트를 찾도록 했다.

위치가 다른 400대에 대해 개별로 3개의 루트를 제시. 각각의 택시가 어느 경로를 선택해야 가장 정체를 적게 겪을 수 있을까를 계산했다. 중첩의 총 수는 3의 400승. 기존의 컴퓨터로는 처리가 안 되기 때문에 VW는 양자컴퓨터를 활용했다.

VW가 주목하고 있는 것은 자율주행의 ’이후’이다. 현재의 자동차 업계에서 개발이 추진되는 것은 센서 등의 인식 기술과 그 정보를 처리하여 자동차를 조정하는 AI. 그러나 그것이 실용화 된 이후에는 또 다른 기술이 필요해 진다.

무수한 자동차에 최적 루트를 지시하여 정체나 사고가 없는 교통시스템을 만든다---. 이것은 앞에서 말한 바와 같이 중첩의 최적화 문제를 해결하고 있는 것과 같은 것이며 그러기 위해서는 양자컴퓨터가 반드시 필요하다.

국내에서도 양자컴퓨터를 업무에 이용하는 기업이 등장하기 시작했다. 그 중 하나가 리쿠르트 커뮤니케이션즈이다. 리쿠르트가 노리는 것은 광고 전송의 최적화. 예를 들어 여행 사이트를 이용하는 사용자마다 각각 다른 맞춤형 호텔 광고를 전송하려고 할 경우이다. 사용자와 호텔이 늘어나면 그 중첩은 무한대로 확산된다. “실험 반복을 통해 최적화 방법을 완성시키려 하고 있다”(당사의 다나하시 리드 엔지니어).

VW 및 리쿠르트가 이용한 것이 디웨이브 시스템스 제품의 양자컴퓨터이다. 2011에 세계최초로 상용화에 돌입했고 가격은 1대에 약 10억엔이다. 지금까지 미국에서 5대를 판매한 것 외에, 컴퓨터를 소유하지 않고서도 계산 처리를 위탁할 수 있는 서비스를 전개하여 세계에서 이미 수십 개 사가 당사의 고객이 된 것으로 파악되고 있다.

-- 본격적인 상용화에 나선 미국의 거인들 --
디웨이브의 쾌조를 곁눈질 하며 미국 IT기업도 본격적으로 나서기 시작했다. IBM은 올해 5월에 양자컴퓨터 ’IBM Q’의 프로토타입을 공개. 양자 비트는 최대 17개이지만, ”수 년 이내로 50양자 비트의 상업용 양자컴퓨터를 개발하여 인터넷 경유로 제공한다”고 발표했다. 양자 비트의 수는 동시에 계산이 가능한 중첩 수를 의미한다. 17개라면 2의 17승이며, 50개라면 2의 50승으로 늘어난다.

구글도 IBM을 추격한다. 5년 이내에 상업용 이용을 개시한다고 발표했으며 올해 안에 49 양자 비트의 칩을 실제로 제조하여 성능 실증실험을 개시할 예정이다. 미국 아마존닷컴 등이 앞서 나가는 클라우드 서비스. 현 시점에서는 가상 서버 및 데이터 베이스가 경쟁의 축이 되고 있으나, 앞으로는 그 곳에 양자컴퓨터가 포함될 가능성이 크다. 구글 및 IBM도 그 시장을 호시탐탐 노리고 있다.

기존의 컴퓨터 심장부에 해당하는 CPU로 압도적인 점유율을 자랑하는 인텔도 필사적이다. 2015년 9월, 네덜란드의 연구기관인 큐테크(QuTecn)에 5,000만달러(약 55억엔)를 투자. 양자컴퓨터는 지금까지와는 전혀 다른 종류의 반도체가 필요하기 때문에 인텔마저도 경쟁에서 우위의 자리를 잃게 될 우려가 있다. 따라서 이는 그 위기감으로 인해 미리 손을 쓴 모양새이다. 미국 마이크로 소프트사도 양자컴퓨터를 개발한다고 밝혔다.

일본 업체도 빼놓을 수 없다. 디웨이브의 양자컴퓨터는 세계적인 물리학자인 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 교수의 이론이 근간이 되고 있다. 문부과학성의 분석에 따르면 일본발(發)의 양자컴퓨터 관련 논문이 세계에서 많이 인용되고 있다고 한다.

국내 IT대기업도 반격에 나섰다. 양자컴퓨터는 양자력학을 사용한 새로운 계산법과 그것에 최적화된 하드웨어로 이뤄져 있다. 후지쓰는 새로운 계산방법을 기존의 컴퓨터 상에서 이용하는 방식에 도전한다. 특정의 문제에 대해서는 기존 타입의 1만 배의 고속 연산임이 확인되었다.

“미국 업체의 양자 컴퓨터는 실용화가 되기까지 아직 시간이 필요하다. 그러나 안정적이며 현실적인 기술을 개발하기 위한 조건은 갖춰져 있다”라고 후지쓰 연구소의 고야나기(小柳) 프로젝트 디렉터는 말한다.

현 시점에서는 “비트 수가 적다” “어떤 문제에 대해 결과를 발휘하지만, 증명되지는 않는다” 등의 과제가 있다. 그러나 세계의 연구자 및 엔지니어가 양자컴퓨터의 이용 용도를 연구하고 있으며 응용 분야는 폭발적으로 확산될 가능성이 크다. 겨우 10년전까지 ‘꿈의 기술’로 불리던 양자컴퓨터는 이제는 더 이상 꿈이 아니다. 이 기술을 사용하여 무엇을 해결할 것인가를 고민하는 것처럼 현실 세계의 일부가 되었다고 할 수 있다.

 -- 끝 --