미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Electronics_2018.2 특집요약 (p41~54)

‘양자 컴퓨터’의 잇따른 발표
유용한 것은 어느 것인가

제1부: 양자 컴퓨터의 정의
진위 논쟁에 이득 없어, 당분간은 유사품들 간의 경쟁으로

최근에 와서 다양한 종류의 ‘양자 컴퓨터’가 발표되었다. 그러나 이들에게는 진위 여부를 둘러싼 논쟁이 일고 있다. 진짜와 가짜의 진위를 따지기 보다 유용한 양자 컴퓨터는 어느 것인지, 또는 얼마나 유용한지를 중심으로 따져본다면, 선택해야 할 ‘양자 컴퓨터’가 어느 것인지 알 수 있게 될 것이다.

2017년은 다양한 ‘양자 컴퓨터’와 그 실용화 시기가 잇따라 발표된 해였다. 또한 발표 때 마다 실용화 시기가 크게 미뤄졌었다. 구체적으로는 2017년 3월에 미국 구글이 학술지인 ‘Nature’에서 5년 안에 상용화한다고 발표. 2017년 10월에는 미국 IBM이 2020년경에 상용화할 계획을 표명했다. 2017년 11월에는 NTT 등이 “국산으로는 처음으로 ‘양자컴퓨터’의 24시간 가동에 성공”했다고 발표. 2017년 12월에 후지쓰는 본지와의 취재에서 ‘양자 컴퓨터와 매우 비슷한 (Quantum Inspired) 디지털 어닐러’를 2018년 봄에 상용화한다는 계획을 밝혔다.

후지쓰와 IBM 그리고 ‘양자 컴퓨터’를 상용화한 캐나다의 D-Wave Systems 등은 자동차 관련 제조업체 및 제약, 재료 분야의 제조 업체를 고객으로 만들기 위한 경쟁에 나섰다

-- 치열한 ‘진위 논쟁’ 발발 --
이런 새로운 ‘양자 컴퓨터’에는 기술자 및 연구자를 중심으로 진위를 둘러싼 치열한 공방이 일어나고 있다. 이 혼란을 수습하는 한 가지 해결 방안은 양자 컴퓨터란 무엇인가라는 정의를 명확하게 공유하는 것이다. 교토대학대학원 이학연구과 조교수인 후지이(藤井)씨는 가장 엄격한 조건으로 양자 컴퓨터의 정의를 주장하는 연구자 중 한 명이다. 그에 따르면 ‘양자 컴퓨터란 연산의 정밀도를 보증할 수 있는 오류 정정 기능이 있는 양자 게이트 타입의 컴퓨터’를 말한다. 그러나, 그의 주장대로라면 가까운 미래까지 실용화가 가능한 연산 시스템은 모두 진짜가 아닌, 가짜 또는 유사품이 되고 만다.

다양한 레벨에서 양자 역학을 활용한 기술이 등장하고 있는 가운데, 이런 엄격한 정의로 합의를 이끌어 내기는 쉽지 않다. 또한 유사품의 ‘양자 컴퓨터’는 그 진위 여부와는 상관 없이 특정 용도로 한정시킬 경우, 기존의 슈퍼 컴퓨터에 필적하거나 그것을 뛰어넘는 성능을 매우 저렴한 비용과 낮은 소비전력으로 얻을 수 있어 상당히 유용하다.

한편, 실제 양자 컴퓨터를 실현하기 위해서는 상당히 낙관적으로 보더라도 20~30년 후의 먼 미래가 될 것이다.

새로운 정의를 통해 유사품을 구제하려는 움직임도 있다. IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)는 양자 컴퓨터로서의 충족 조건을 좀더 넓은 범위에서 합의할 수 있도록 하려고 한다. 그 제안 중 하나는 충족하고 있는 조건으로 강력한 양자 컴퓨터인지 아닌지를 논의하는 것이다.

-- 양자성의 강도와 유용성과는 상관 없어 --
그러나 이것도 반드시 생산적이라고는 할 수 없다. 실제로 양자성의 강도와 성능 및 유용성과는 거의 상관이 없기 때문이다. 충족하고 있는 조건에는 상당히 강하지만 실용면에서는 과제가 많은 양자 컴퓨터가 있는 반면, 양자성이 약하거나 아직 조건에는 못 미치지만 유용성이 뛰어난 양자 컴퓨터가 다수 등장하고 있다. 여기에서는 ‘유용성’이라는 관점에서 각각의 ‘양자 컴퓨터’의 강점과 과제를 밝혀나가도록 하겠다.

제2부: 실용화 경쟁
상용화가 시작되는 ‘아날로그 양자’, 재료 검색 및 최적화로 위력

디지털, 즉 논리 연산이 가능한 진짜 양자 컴퓨터의 실현은 아직 멀었다. 그런 반면, 아날로그 계산에 한정된 ‘양자 컴퓨터’의 상용화는 이미 시작되고 있다. 경쟁하는 것은 실제 양자컴퓨터로 이어지는 기술을 이용한 양자 게이트 타입과 물리학의 모형을 기반으로 한 이징머신 타입의 2가지로 크게 나눌 수 있다. 시작은 이징머신 타입이 상용화에서 한발 앞서가고 있다.

엄격한 정의에는 못 미치는 각종 ‘양자 컴퓨터’의 실용화 경쟁이 시작되고 있다. 그 필두에는 2011년에 캐나다 D-Wave Systems사가 발매한 이징머신이 있다. D-Wave사는 머신의 판매와 더불어 온라인 상에서의 시간제 서비스도 제공하고 있다. 후지쓰의 ‘Quantum-Inspired’ 이징머신, 그리고 미국 IBM 및 벤처기업 리제티 컴퓨팅(Rigetti Computing)의 양자 게이트형 머신도 온라인 타입의 시험 테스트를 선행 유저가 사용하기 시작했으며, 가까운 장래에 상용화될 전망이다.

-- 자동차 및 재료 업체가 이용을 --
상정하는 응용분야로는 ‘양자 컴퓨터’의 방식과 상관없이 (1)재료검색 및 양자화학을 기반으로 한 재료의 구조 계산, (2)조합의 최적화 문제, (3)기계 학습 및 인공지능의 3가지 분야이다. 기존의 슈퍼 컴퓨터에 필적하거나 그것을 뛰어 넘는 성능을 1/10~1/1,000의 대폭적인 저비용 및 저 소비전력으로 실현할 가능성이 크다. 따라서 선행 사용자로서 독일의 폭스바겐 및 덴소와 같은 자동차 회사/차재용 부품 업체, JSR 및 미국의 Dow Chemical사 등의 재료/화학업체, 그리고 리쿠르트 커뮤니케이션 등이 이름을 올리고 있다.

-- 이징머신 타입, 해를 얻는 원리는 자연의 법칙 --
IBM사의 머신의 상용화는 2020년경이 될 것이다. 실용화에서 조금 앞서 있는 ‘양자 컴퓨터’는 모두 이징머신 타입이다. 이징머신 타입의 ‘양자 컴퓨터’는 이전부터 있는 양자 게이트 타입과는 연산의 원리가 전혀 다르다. 양자 게이트 타입은 해를 얻는 원리가 고전적인 컴퓨터와 동일한 알고리즘이다.

한편, 이징머신은 원래 미세한 막대자석이라고 할 수 있는 스핀을 격자 모양으로 배치해 물리학적 사고를 실험상으로 만든 모형이다. 이것에 외부 자장을 인가(印加)한 경우의 최소 에너지 및 스핀의 방향을 구하는 방법은 많은 조합 최적화 문제를 푸는 것과 같다고 이전부터 알려져 있었다. 고전적인 컴퓨터로 그것을 모방한 방법은 ‘모사 어닐링(Simulated Annealing: SA)’으로 불리고 있다.

해를 얻는 원리는 알고리즘이 아닌, 시스템의 에너지를 최소로 하는 자연의 법칙이다. 그러나 실제로는 보다 고속화하기 위한 방법으로써 양자 어닐링(QA) 등의 차이가 나타난다.

-- 양자가 있으면 최대 1억배 고속으로 --
-- 양자의 이익은 한정적 --

-- 양자가 없이도 유용성은 뛰어나다 --
한편, 양자성이 약하거나 양자 비트를 사용하지 않는 이징머신이 속속 등장하고 있다. 내각부의 ‘혁신적 연구 개발 추진 프로그램(ImPACT)’ 하에, NTT 등은 스핀 대신에 광 펄스를 이용하는 ‘코히런트 이징머신(CIM)’을 개발했다. CIM은 ‘광 펄스 간의 양자 상관은 있으나, 양자 얽힘은 없다’(ImPACT 프로그램 매니저인 야마모토 씨)는 것을 통해 양자 컴퓨터로서는 상당히 약하다는 것을 알 수 있다. 후지쓰의 디지털 어닐러와 같이 양자성이 완전히 없는 머신도 있다.

이런 양자성이 약한 것은 실용 면에서 바로 마이너스가 되지는 않는다. 이징 머신의 특징은 양자 비트를 이용하지 않는 고전적인 실장에서도 적용하는 문제에 따라서는 SA 보다 1만배 정도 빠른 해를 얻을 수 있다는 것이다. 그 이유 중 하나는 소프트웨어 베이스의 SA와는 달리, 전용 하드웨어를 사용하는 것에 있다. 또한 D-Wave사의 머신과는 대조적으로, 비트 간의 결합 수 및 결합 강도의 그라데이션의 확보가 비교적 쉬운 경우가 많다. 그것은 보다 대규모, 또는 복잡한 문제에 적용하기 쉽다는 장점으로 이어진다. 후지쓰는 디지털 어닐링에 대해 “적용하는 문제에 따라서는 D-Wave사의 머신의 성능을 크게 뛰어넘는다”(당사)라고 말한다.

-- 양자 게이트 타입에 가까운 진화도 --
-- 양자성을 나중에 부여 --
-- 후지쓰는 회사의 주력 부서를 투입 --

-- 아날로그 양자 게이트 타입, 50 양자비트의 머신도 가동 --
한편, 양자 게이트 타입의 ‘양자 컴퓨터’도 최근 1년동안에 크게 업그레이드 되었다. 양자 비트 수는 최근까지 10년이 넘는 동안 수 개~10개를 넘지 못했으나, 2017년이 되어 IBM사가 5개에서 50개로 10배를 늘리게 되었다. 미국 인텔은 2018년 1월에 양자 비트 49개의 프로세서를 발표. 구글 등도 그 뒤를 이을 것으로 보인다. 그 배경에는 (1)잡음이 강한 양자 비트의 설계 및 실장 기술이 발전한 것, (2)특정의 문제에서는 오류 정정 기술을 탑재하지 않고도 양자 비트 50~60개로 슈퍼컴퓨터 레벨, 또는 그것을 뛰어넘는 연산 결과가 얻을 수 있는 전망이 서게 되어 가까운 미래에 상용화 될 대책이 섰다는 것의 2가지이다.

-- 에러가 제로일 것이라는 기대는 ‘그림의 떡’ --
-- 일단은 ‘아날로그 양자’로 --
-- 이징머신과 동일한 무대에서 경합 --

제3부: 실제 양자 컴퓨터의 실현으로 가는 길
양자판 무어의 법칙 등장, 완성은 빨라도 20년 후

아날로그 양자게이트 타입의 머신은 목표로 하는 실제 양자 컴퓨터의 대체품이 될 수는 없다. 한편으로는 실제 머신을 개발하기 위해서는 연산 중에 오류를 정정하는 기능을 도입할 필요가 있으며, 개발 난이도가 상당히 높아지게 된다. 그렇지만 ‘양자판 무어의 법칙’이 제창되면서 앞날의 예측이 어려운 상황 속에서 ‘빠르면 20년 후에 완성’이라는 예측도 나오고 있다.

오류 정정을 하지 않는 아날로그 계산만 할 수 있는 양자 게이트 타입의 머신은 가까운 시일 안에 실용화 될 전망이다. 그렇다면 디지털 계산만을 포기한다면 순조롭게 규모를 확대하여 유용성을 높여갈 수 있는 것일까?

대답은 상당히 부정적이다. 제2부에서 서술한 것처럼 그런 아날로그 머신에서는 양자비트 1개당 에러율 ε와 회로 심도d 및 양자체적 QV의 관계에서 양자비트 수 N을 늘린다고 해도 유용성이 높아진다고는 단정지을 수 없기 때문이다.

원래 양자 컴퓨터에 있어서 오류 정정이 없는 규모 확대는 상당히 어렵다고 하여 실용화의 전망이 서지 않던 시절이 오래 지속되었다. NTT 등과 코히런트 이징머신(CIM, Coherent Ising Machine)을 개발한 내각부의 프로젝트 ‘ImPACT’ 프로그램 매니저인 야마모토(山本) 씨는 “양자 게이트 타입의 실용화는 상당히 어렵다”고 생각해 CIM의 개발로 전환했다. 수 년 전에 양자비트용의 오류 정정 기술(Quantum Error Correction: QEC)이 발달함에 따라 양자 게이트 타입의 실용화에 가능성이 보이기 시작했다. 그러나 그 QEC를 도입하는 것도 쉽지 않았으며 많은 시간이 소요되어 기술적으로 넘어야 할 과제가 많았다. 최근에 각 제조사들이 아날로그 양자 게이트 타입으로의 주력하려는 것은 그 엄청난 험난함에 대한 현실 도피로 보일 수도 있겠다.

QEC 도입의 첫 난관은 오류 정정을 하기 위한 방대한 수의 양자 비트를 집적하지 않으면 안 된다는 것이다. 50~100개의 양자 비트라도 일정의 성과를 낼 수 있을 가능성이 있다. 그런데 오류 정정을 넣는 순간, 필요한 양자 비트 수는 양자화학의 계산을 할 경우에는 수천 개, RSA암호를 풀 경우에는 수백 만~1억개의 양자 비트를 필요로 한다.

-- 양자 비트는 복사되지 않는다 --
그 이유 중 하나는 양자비트 특유의 성질에 있다. 먼저, 양자 비트는 한 번 측정하면 값이 확정되어 ‘0’과 ‘1’을 동시에 계산할 수 있는 특성을 잃게 된다. 또한 “복사(카피)하면 반드시 에러가 뜬다”라는 성질도 있다. 양자 컴퓨터는 측정한 후에는 데이터를 이용할 수 없게 되며 복사도 불가능하다.

-- 양자 1개당 1만개의 ‘대역’ --
여기에서 생각할 수 있는 것이 양자비트 부호이다. 계산을 시작할 때 다수의 모형의 양자 비트를 준비해 놓고 오류정정 때마다 1개씩 측정해간다. 측정하는 양자 비트에는 측정하기 전에 나머지 양자 비트의 정보를 미리 올려 놓는다. 이것으로 그 양자 비트 부호 속의 양자 비트에 에러가 일어났는지 여부를 알 수 있다. 측정된 양자 비트는 적어도 계산에서는 이용하지 못하게 된다. 일종의 대역이라고 할 수 있다.

오류 정정을 위한 측정은 연산 중에 여러 번 실시되어 그 때마다 양자 비트 부호 중의 양자 비트가 최소 1개이상 대신해서 없어지게 된다. 따라서 연산단계가 긴 대규모 계산일 수록 양자 비트의 부호를 마지막까지 보존하기 위해 부호 중에 다수의 대역이 되는 양자 비트를 필요로 하게 된다.

일반적인 양자 알고리즘에서는 거의 양자 비트 부호 1개에 1만개 전후의 양자 비트가 필요하다고 한다. 어느 연구자는 “오류 정정 기능이 있는 양자 게이트 타입의 머신은 가동시간의 대부분을 오류 정정을 하는데 소비하게 된다”라고 지적하고 있다.

-- 양자판 무어의 법칙은 ‘3년에 10배’ --
그렇다면 1억개의 양자 비트가 실현되는 것은 언제일까? “양자 비트 수는 3년동안에 10배가 된다”라는 매우 낙관적인 예측을 하더라도 약 20년 후가 된다는 계산이다.

이 예측을 최초로 제창한 것은 미국 예일대학의 교수인 Robert J. Shoelkopf 씨로, 자칭 ‘숄코프의 법칙’ 또는 ‘양자판 무어의 법칙’이라고 부르고 있다. 그러나 처음에는 양자 비트 수가 아니라 양자 비트의 코히런트 시간의 증가를 가리키고 있었다.

최근에는 미국 구글 사의 연구자를 포함한 세계 다수의 연구자가 양자 비트의 증가 속도에 대해서 이 ‘법칙’을 이용하기 시작했다. 미국 IBM사 등도 ‘RSA암호가 풀리는 것은 빨라도 20년 후’라는 이 ‘법칙’을 주장하고 있는 것으로 보인다. 코히런스 시간 이외에 이 ‘법칙’이 계속된다는 명확한 근거는 거의 없다. 이 코히런스 시간 조차 2013년 이후부터는 늘지 않고 있어 ‘20년 후의 실현’은 거의 기적에 가깝다고 할 수 있다.

-- 양자 메모리도 필수 --
-- 원자발전소 1기분의 전력을 소비 --
-- 대책 기술의 개발에 진전 --

 -- 끝 --