산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2018. 7.16 특집 요약 (p20~37)

일본에 등장하는 양자컴퓨터
양자컴퓨터를 둘러싼 Google과 IBM의 야망

2018년, 컴퓨터의 역사는 전환점을 맞이한다. 비현실적인 이야기로만 여겨왔던 양자컴퓨터가 드디어 실력을 발휘하게 된 것이다. 세계 최고 속도의 슈퍼컴퓨터를 능가하는 ‘초월성’을 가진 이 기계는 IT업계뿐만 아니라, 제조업 및 의료, 화학의 세계에 엄청난 임팩트를 안겨다 줄 것이다. 캐나다의 벤처기업에서 시작된 개발 경쟁에 구글 및 IBM이 본격적으로 합류했다. 프런티어 정신이 넘쳐나는 기업가들이 쇄도하고 있으며 최근 중국도 호시탐탐 역전을 노리고 있다. 요소기술을 개발한 일본에도 2019년, 처음으로 양자컴퓨터의 실물이 상륙한다. 차원이 다른 계산 능력이 가져올 혁명을 지금부터 소개하겠다.

Part 1. 역사적 전환점을 맞이한다
진화를 ‘초월’한 구글의 야망

2019년, 양자컴퓨터가 일본에 첫 상륙. 연내에는 슈퍼컴퓨터의 진화를 ‘초월’하는 능력을 가지게 된다. 컴퓨터의 역사가 크게 바뀌는 전환점을 우리는 조만간 목격하게 될 것이다.

2019년에 캐나다 벤처기업인 D-Wave Systems의 양자컴퓨터가 일본에 처음으로 상륙한다고 여러 관계자들이 본지 취재에서 밝혔다. 도쿄공업대학과 도호쿠(東北)대학이 공동 연구센터를 설립, 복수의 민간 기업이 참가하여 이용료를 부담할 예정이다. 지금까지는 북미에 설치한 기계를 클라우드 경유로 이용하고 있었다. 일본기업이 양자컴퓨터를 Full로 활용하는 시대가 드디어 도래한 것이다.

이에 앞서, 올해 양자컴퓨터는 커다란 전환점을 맞이한다. “과거 수 개월 만에 소프트웨어가 눈부신 발전을 이뤘다. 2018년 안에는 약속대로 ‘양자 초월성’을 실현할 수 있을 것이라고 낙관적으로 생각한다”. 이것은 미국 구글에서 13년동안 ‘양자 인공지능연구소’를 이끌고 있는 연구자 하르트무트 네벤(Hartmut Neven) 씨가 한 말이다.

그의 말이 사실이라면, 슈퍼컴퓨터가 향후 아무리 진화한다고 해도 결코 도달할 수 없는 성능을 구글은 반년 이내에 손에 넣게 된다. 슈퍼컴퓨터가 수백 년 걸려도 풀 수 없었던 문제를 순식간에 풀게 되는 것이다. 그야말로 ‘신의 영역’에 한 발자국 다가섰다고 할 수 있다.

양자컴퓨터는 마이크로(Micro) 세계에서 활동하는 물리법칙인 ‘양자역학’을 사용해 계산하는 기계이다. 자세하게는 Part 2에서 설명하겠지만, ‘0’과 ‘1’이 동시에 존재하는 ‘양자 비트’를 이용해 방대한 수의 계산을 해낸다. 양자 비트를 늘리면 계산능력은 지수관수적으로 늘어난다. 9양자 비트라면 512가지(2의 9승), 20양자 비트일 경우 약 100만 가지(2의 20승)의 계산이 순식간에 끝난다.

전문가 사이에서는 양자 비트가 ‘50’을 넘으면 양자 초월성에 도달한다고 여겨왔다. 구글이 3월에 발표한 양자 프로세서 ‘브리슬콘(Bristlecone)’의 양자 비트 수는 72개로, 네벤 씨는 다양한 실험을 통해 연내에 초월성을 실증해 보이겠다고 말한다.

양자컴퓨터는 오랫동안 인류의 ‘꿈의 기술’이었다. 가능성은 1981년에 예언되고 있었으나, 현실 세계에서는 양자 비트를 늘리는 방법을 찾지 못했다. 양자 비트는 에러가 발생되기 쉽기 때문에 제대로 계산 결과를 내기 위해서는 수백 만개의 양자 비트가 반드시 필요하다. 수십 년의 개발 기간과 조(兆) 엔 단위의 비용이 필요해, 실용화까지는 빨라도 2050년대가 될 것이라는 것이 통설이었다.

그 상식을 깬 것이 바로 D-Wave였다. 2011년에 기존과는 다른 발상의 양자컴퓨터를 세계 처음으로 상용화했다. 2015년에 검증된 처리 속도는 PC의 약 1억배. 광속(시속 10억 8,000만 km)과 인간의 달리기(시속 10km) 정도의 차이라고 할 수 있다. 한편, 소비전력은 15㎾로, 세계 최고 속도의 슈퍼컴퓨터인 ‘서밋’의 약 500분의 1에 지나지 않는다.

양자컴퓨터에 대한 기대를 한층 더 높인 것은 구글이다. 2016년에 수소 분자의 움직임 등을 시뮬레이션 하기 위한 목적으로 5양자 비트를 탑재한 양자컴퓨터로도 문제가 풀렸다고 발표한 것이다. 수백 만 양자 비트의 실현을 기다리지 않아도 양자컴퓨터가 ‘초월성’을 발휘할 가능성이 열린 것이다.

컴퓨터는 지금까지 ‘무어 법칙’에 따라 발전해 왔다. 반도체 집적률이 18개월마다 2배씩 늘어난다는 경험 법칙이다. 그러나 제조 기술 및 소비전력 등의 관점에서 무어 법칙은 얼마 되지 않아 한계에 도달했으며, 완전히 다른 원리로 움직이는 양자컴퓨터에 기대가 모아지고 있다. 구글이 2018년 정말로 양자 초월성을 실현한다면, 세계 IT업계의 질서는 일변하게 될 것이다.

-- VW, 배터리 개발에 양자를 활용 --

Part 2. 4가지 질문으로 고민 해결
제로부터 알 수 있는 초고속 기계 장치

경이적인 계산 속도로 IT업계의 상식을 바꿔버린 양자컴퓨터. 그렇다면 왜 빠른 것인가? 지금까지와 무엇이 다른가? 기초부터 자세히 설명하도록 하겠다.

Q1. “0와 1이 중첩된다”. 양자의 세계에서는 무엇이 일어나고 있는가?
육안은 물론, 현미경을 들여다봐도 보이지 않는다. 양자컴퓨터는 지극히 마이크로인 ‘양자의 세계’에서의 특수한 현상을 활용하는 고속 계산기이다.

양자의 대표적인 원자와 전자, 소립자 등은 머리카락의 직경 100만분의 1에 미치지 않는다. 지극히 마이크로한 존재이다. 양자의 세계에서는 우리의 감각과는 동떨어진 현상이 일어나고 있다. 본 특집의 ‘핵심’이기도 한 ‘중첩의 상태’가 그것이다.

-- 1,000조 거리라도 ‘한 번’에 계산 --

Q2. ‘중첩’일 때 왜 계산 속도가 극적으로 빨라지나?
이 질문에 대한 해답을 찾기 위해 취재팀은 도호쿠대학 대학원∙정보과학 연구과의 오세키(大関) 교수를 만났다. 그는 양자컴퓨터 중 ‘어닐링’으로 불리는 계산식의 연구자이다. 세키 교수는 “사내의 사업 검토 프로세스를 상정하면 알기 쉽다”라고 말한다.

검토 사항이 1개라면 2종류의 플랜에 대해서 말하면 되지만, 신규 사업은 리스크를 동반하기 때문에 경영진으로부터는 신중을 기하라는 지시가 떨어져 회의를 거듭할수록 고려해야 할 것들이 많아진다. 검토 사항이 10개라면 사업 플랜의 베리에이션은 1,024종류. 50개라면 약 1,125조(兆)종류이다.

-- 모든 가능성을 ‘동시에 검토’ --
9양자 비트를 탑재한 영자컴퓨터는 512종류의 사업 플랜 안을 ‘중첩 상태’로 한 번에 표현할 수 있다. 이 상태로 계산한다면, 한 번에 512회의 회의를 끝낸 것과 같다고 할 수 있다. “양자컴퓨터라면 플랜A의 검토를 진행했다가 도중에 B로 노선을 변경해도 그 때까지의 검토가 무용지물이 되지는 않는다”(오세키 교수).

Q3. 기존형 컴퓨터의 진화는 끝난 것인가?
양자컴퓨터에 대한 기대가 높은 것은 기존 컴퓨터의 성능 향상에는 한계가 있기 때문이다. 기계씩 계산기로 시작해 진공관과 트랜지스터, 20세기는 기존형 컴퓨터의 ‘두뇌’인 하드웨어가 눈부신 발전을 한 시대였다.

컴퓨터 진화의 궁극 타입은 슈퍼컴퓨터였다. 일본에서는 후지쓰(富士通) 등이 개발한 ‘케이(京)’외에도, 지난 6월에는 미국 오크릿지국립연구소의 슈퍼컴퓨터인 ‘서밋’이 1초에 20경(京)회라는 계산 속도를 달성했다. 미국 기업이 6년만에 세계1위 자리를 탈환했다는 것으로 화제가 되었다.

-- 슈퍼컴퓨터의 진화도 한계에 도달 --
슈퍼컴퓨터의 계산능력이 높은 것은 틀림없다. 그러나 0와 1 비트를 계산한다는 것에서 일반 컴퓨터와 크게 다를 바 없다. 계산능력이 높은 것은 대량 장치에 연결함으로써 동시 병행하여 복수의 계산을 시행하기 때문이다. 그 대가는 높은 소비전력이다. 서밋의 소비전력은 일반 가정으로 환산하면 2만채분. 설치 면적도 테니스코트 2면에 상당한다고 한다.

이런 사정 때문에 최근 IT업계에서는 무어 법칙이 ‘수명’을 다했다는 의견이 나오고 있다. 소비전력을 늘리지 않고 계산능력을 높이기 위해서는 기존과는 완전히 다른 기술이 필요하다는 견해가 압도적이다.

Q4. 가속되는 개발 경쟁을 대표하는 2가지 방식은 어떤 특징을 가지고 있나?
업계에서 가장 유력하다고 보고 있는 것은 ‘양자 게이트 방식’이다. 회전하는 코인처럼 불안정한 양자 비트를 일정한 규칙에 따라 제어하는 것이다. 1980년대부터 제창되어 왔으나, 양자 비트의 중첩상태를 유지하는 것이 어려운 점 등, 몇 가지 문제점이 있어 실용화까지는 수 십 년 걸린다고 여겨왔다.

-- 일본 발(發) 이론, 실용화로 선행 --
이때 다크호스로 등장한 것이 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 교수팀의 기초이론을 베이스로 한 ‘양자 어닐링 방식’의 양자컴퓨터이다. “비즈니스맨이 영업에서 복수의 기업을 순회할 때 어떤 루트가 가장 효율적인가?”라는 무수한 조합 속에 최적의 답을 선출해 내는 문제를 강점으로 하는 계산장치이다.

양자컴퓨터라는 이름은 같지만, 게이트방식은 ‘범용형’, 어닐링 방식은 ‘특화형’이라고 불린다. Part 1에 등장한 미국 구글 및 IBM 등은 게이트 방식에 미래가 있다고 판단해 서둘러 개발에 나서고 있다. 양자 비트를 제어하는 ‘규칙’만 확립된다면, 어떤 문제라도 순식간에 풀어낼 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문이다. 2018년에 양자 초월성을, 2020년대에 수 배만 개의 양자 비트를 실현시킨다는 구글의 야망이 현실이 된다면, 기존의 컴퓨터로는 결코 얻을 수 없던 계산 능력을 손에 넣게 된다.

2가지 방식 외에도 NTT와 국립정보학연구소가 연구를 진행하는 ‘코히런트 이징머신(Coherent Ising Machine)’ 등, 양자의 성질을 응용한 새로운 컴퓨터 개발이 잇따라 등장한다. 하지만 게이트 방식에 주력해 온 연구자들로부터 “다른 방식은 양자컴퓨터가 아니다”라는 목소리도 나오고 있다. 그러나 고도의 계산 능력이 인류의 진보에 기여한다는 점에서 모두 같다고 할 수 있다.

Part 3. 개발을 가속화하는 중∙미 IT 대기업
IBM이 노리는 새로운 패권, 대항마는 알리바바

2018년에 들어와서 미∙중의 IT대기업, 스타트업 기업까지 합세해 단숨에 가열된 패권 싸움. ‘마라톤’에 비유할 수 있는 경쟁을 뚫고 다음 IT업계를 제패하는 것은 과연 누구일까?

“AI(인공지능)과 IoT, 인더스트리4.0과 블록체인 그리고 양자컴퓨터. 모든 기업은 이 5가지 테크노로지에 대비할 필요가 있다”. 미국 IBM의 버지니아 로메티 CEO는 6월 중순, 독일 하노바에서 개최된 세계 최대급 박람회 ‘CeBIT 2018’에서 열변을 토했다. 양자컴퓨터가 AI 등과 어깨를 나란히 하는 IT업계의 ‘뜨거운 감자’로 거듭나는 순간이었다. 

전세계의 IT대기업들이 양자의 능력에 매력을 느끼고 있다. 구글과 더불어, 마이크로소프트 및 인텔도 개발체제를 잇따라 강화하여 벤처에 거액의 자금이 유입되었다. 중국의 알리바바 그룹도 가세해, 2018년은 양자컴퓨터 ‘원년’이라고 부를 만 하다.

IBM이 노리는 것은 슈퍼컴퓨터에서 놓친 지위의 ‘탈환’이다. 먼저, 화학 시뮬레이션 및 AI분야에서 사용되는 슈퍼컴퓨터를 양자컴퓨터로 교체하는 것으로 알려져 있다. 미국 조사회사인 하이페리온 리서치에 따르면, 2017년의 슈퍼컴퓨터의 세계시장 규모는 123억 달러(약 1조3,530억엔)에 달한다.

과거 PC시장을 리드해온 IBM이지만, 현재는 점유율 5위로 떨어져있다. 2018년 6월에 미국 오크릿지국립연구소에 납품한 슈퍼컴퓨터 ‘서밋’은 1초당 20경(京)번의 계산속도를 달성하여 세계 최고가 되었으나, 처리 능력의 95%를 미국 엔비디아의 GPU(화상처리반도체)가 차지하고 있다. 고속의 대명사였던 IBM제품인 프로세서는 이제는 GPU의 ‘부속품’과 같은 존재이다. 양자컴퓨터에 대한 적극적인 자세는 IBM이 가지고 있는 위기감의 표출이라고 할 수 있다. 2017년 7월 ~ 9월기까지 22분기 연속 매출감소로 고전을 면치 못한 IBM에게 있어 양자컴퓨터 시장은 절대로 양보할 수 없기 때문이다.

▶ IBM: 상용화로 리드, 고객과의 연대를 서두른다.
IBM의 로메티 CEO는 “모든 기업이 양자컴퓨터에 대비할 시기이다”라고 강조해, 당사 부활을 알리는 비장의 카드를 내놓았다.
▶ 마이크로소프트: 오류 정정으로 우위를 차지, 5년 안에 실용을 목표
마이크로소프트의 나델라 CEO는 양자컴퓨터로 지구온난화 문제를 해결할 수 있다고 주장한다.
▶ 인텔: 무어의 법칙 후에도 두뇌를 지배한다.
인텔은 실리콘 방식의 양자 프로세서도 개발 중으로, 실현된다면 저렴한 양자컴퓨터의 길이 열린다.
▶ 알리바바 집단: 중국정부와 손잡고 150억달러를 투자

-- 금융, 자동차, 전자기계의 대기업이 참가 --
-- 실전이 먼저, 이론은 모방 --

-- 차기 ‘빌 게이츠’는 누구? --
10년 전, 양자컴퓨터를 둘러싼 환경은 찬바람이 부는 허허벌판과도 같았다. 지금은 초목이 자라나기 시작해 조만간 열매를 맺을 정도로 기대가 높아져 있다. 이 프런티어 개척에 야심을 품은 ‘양자 스타트업 기업’도 잇따라 등장하여 벤처캐피털로부터의 자금이 급속도로 유입되고 있다. 총 2억 470만달러(약 225억엔)를 조달한 D-Wave가 그 대표격이다. 미국 예일대로부터 스카우트되어 하드웨어를 개발하는 미국 퀀텀서킷 (Quantum circuit) 및 미국 매릴랜드대학 발(發)의 이온큐(IonQ)도 수 십억엔 규모의 자금을 조달한 상태이다.

소프트웨어를 개발하는 스타트업기업도 잇따라 거액의 자금을 조달하고 있다. 캐나다 밴쿠버에 거점을 두고 있는 원큐비트(1Qbit)는 1억3,500만 캐나다달러(약 113억엔)을 조달했다. 개발을 추진하는 것은 양자컴퓨터로 화학 시뮬레이션을 실행하기 위한 소프트웨어이다.  

민간기업의 뒤를 이어, 정부도 나서기 시작했다. 수 백만 양자비트가 실현된다면 ‘공개키 암호’가 해독 가능하여 인터넷 상의 종신 비밀이 위협을 받게 된다. 전자 메일이나 인터넷 통신판매와 같은 레벨로는 수습되지 않는 안전보장 상의 대혼란을 초래하기 때문이다.

미국에서는 2018년 6월, 하원 초당파의원단이 ‘국가 양자 이니시어티브법’의 법안을 제출했다. 5년간 8억달러(약 880억엔)의 예산을 양자컴퓨터 개발에 투입한다는 것이 주요내용이다.

중국에서는 알리바바 그룹과 바이두(百度)가 정부와 연대해 개발을 추진한다. 알리바바는 2018년 3월, 중국과학원과 제휴하여 11양자비트를 탑재한 양자컴퓨터의 클라우드 서비스를 개시했다. 양자 게이트 방식으로서는 IBM의 뒤를 이은 세계 2번째의 클라우드 서비스이다. 중국 과학원은 안후이 성(安徽省)에 100억달러를 투자해 ‘양자정보과학국가연구중심’을 건설 중에 있다.

Part 4. 선진기업은 사용하기 시작
소재개발 1,000배속, 일본의 저력을 보여라

소재 산업에서 인터넷 업계에 이르기까지, 일본의 선진기업들이 하나같이 양자컴퓨터 활용에 나섰다. 그러나, 이용하는 것은 하나같이 북미제품의 기계이다. 연구에서 리드해 온 일본은 지금이야말로 그 저력을 보여줄 때가 왔다. 

-- 덴소, 방콕의 교통체증에 도전 --
-- 모처럼의 요소 기술, 활용하지 못해 --

-- 아직 따라잡을 수 있다, 부활의 싹 --
미국에서 양자컴퓨터 관련 업체들이 잇따라 창업하는 가운데, 일본에서도 기업을 설립하는 연구자가 등장하기 시작했다. 양자컴퓨터용 소프트웨어를 개발하는 큐나시스(도쿄)는 도쿄대학원과 오사카대학원 학생 2명이 중심이 되어 2월에 설립되었다. 3월에는 벤처캐피털로부터 수천만 엔을 조달 받았다.

MDR(도쿄)은 도쿄대 출신의 미나토(湊) 대표가 2008년에 설립한 벤처기업이다. 양자컴퓨터의 심장부인 칩과 소프트웨어의 개발에 도전하고 있다. 미나토 대표는 “벤처에게 있어서 지금의 자금조달 환경은 양호한다. 주로 민간 자금으로 활동하고 있다”라고 말한다.

4월에는 도시바에서 메모리 개발을 담당했던 사이타(才田) 씨가 MDR의 COO(최고 집행 책임자)로 취임했다. 그는 “양자 컴퓨터의 칩에서는 반드시 1위를 달성할 것이다”라는 포부를 밝혔다.

양자컴퓨터의 개발 단계를 기존의 컴퓨터에 비유한다면, 현재는 IC이 보급이 시작된 1960년대의 여명기라고 할 수 있다. 지금이라면 아직 따라잡을 수 있다. 수 많은 요소기술을 창조해냈던 일본의 저력이 시험대에 올랐다.

 -- 끝 --