미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Science_2016.08. 특집 (p34~55)

양자(量子) 컴퓨터 (Quantum Connection)
실용화 난관을 돌파하는 모듈 양자 계산
Christopher R. Monroe (메릴랜드대) / Robert J. Schoelkopf (예일대) / Mikhail D. Lukin (하버드대)

실용레벨의 양자컴퓨터를 만드는 키는, 작은 양자 유니트를 연결하여 하나의 시스템으로 하는 것이다. 빠르면 10년이내에 실용적인 머신이 등장할 것 같다.

과거 20년간, 미크로의 양자세계의 기묘한 특성을 이용하여 정보처리와 통신의 능력을 비약적으로 높이기 위한 시도가 계속되어 왔다. 전자가 입자인 동시에 파동이기도 하고, 한 개의 물체가 복수의 장소에 동시에 존재하기도 하고, 멀리 떨어진 2개의 입자가 무의식 중에도 순간적으로 영향을 미치는 등, 우주의 가장 작은 스케일을 지배하는 양자역학에 갖추어져 있는 성질을 이용하는 것으로, 지금까지 상상도 하지 못했던 계산능력과 통신기능, 계측기술이 실현될 가능성이 있다. 일례를 들면, 현재로서는 “절대로 열수 없는”암호도 양자컴퓨터라면 해독 가능하다고 한다.

양자 머신을 정보의 보전과 통신에 이용하면, 물리법칙에 근거하여 프라이버시가 보장 가능하다. 또한 종래의 컴퓨터로는 도저히 할 수 없었던 복잡한 재료 계나 화학 계에 있어서의 다양한 프로세스를 시뮬레이션하는 양자컴퓨터도 생각할 수 있다. 양자시스템을 사용하면, 세계에서 가장 정확한 시계(원자시계)의 정도를 몇 단계도 높이는 것이 가능하다. 또한 생물화학시스템의 성질을 분자·원자레벨에서 계측 가능한 소형의 정밀센서도 실현될 것이다. 그 응용범위는 생물학에서 재료화학, 의학에까지 미칠 것으로 생각된다.

이러한 잠재성에 이끌리어, 구글과 인텔 등의 거대한 하이테크 기업과 몇 개의 벤처기어, 미 국방총성을 시작으로 하는 정부기관이 양자정보과학분야에 거액의 연구비를 투입하고 있다. 학술계도 활기에 차있어, 3개의 대표적인 학술지에 게재된 양자계산과 양자정보에 관한 논문은, 2015년만으로도 3,000건을 넘어섰다

그런데 이러한 꿈을 실현하는 대규모의 양자 머신은 아직 만들어지지 않고 있다. 양자컴퓨터는 그 이름대로 양자적으로 동작하지 않으면 안 되는데, 그것이 어렵다. 실용적인 대규모의 머신을 만들려면, 마크로 세계를 지배하는 고전적 법칙에 따라가게 되기 때문이다.

대규모화하여도 양자적으로 행동하고, 양자정보처리의 능력을 최대한으로 일하게 하는 시스템을 구축하기 위해서는 작은 양자 유니트를 그 양자적 성질을 무너뜨리지 않고 이어가는 방법이 추구될 것이다. 그「모듈방식」의 연구는 논리적인 아이디어의 단계를 넘어, 최근에는 소규모시스템의 테스트에 성공하고 있다. 유니크하면서 유망한 양자 머신의 실현을 향한 길이 열려져 가고 있다.  

-- 거의 0로 어떻게 하면 1 --
양자세계의 성질을 이용하면 고도의 컴퓨터를 만들 수 있다고 지적한 것은, 캘리포니아 공과대학에 있던 고 Richard Feynman과 영 옥스포드대학의 David Deutch라는 물리학자와 수학자로, 1980년대 전반의 일이었다. 이 아이디어는 몇 년간 탁상공론의 영역을 벗어나지 못했으나, 1994년에 당시 AT&T벨연구소에 있던 Peter Shor가 양자컴퓨터에 의해 거대한 수를 단시간에 인수분해 가능한 가능성을 지적하여, 이 분야의 연구에 불을 붙였다.

최초의 초보적인 양자컴퓨터는 1990년대 후반~2000년대 전반에 등장한 것으로, 원자와 분자, 분자 등으로 실현한 수개의 양자비트로 구성된 단순한 시스템이었다. 양자계산에 종래의 컴퓨터에 없는 이점이 생겨나는 것은, 양자적 입자의 특별한 성질의 덕분이다.

종래컴퓨터의 경우, 정보의 기본단위인「bit」는「0」나「1」의 확정된 수치를 취하는데, 양자정보의 단위인「양자bit(Q bit: Quantum bit)」는 2개의 다른 수치를 동시에 취한다. 즉 양자bit은「0이면서 동시에 1」이거나「0일 확률과 1일 확률이 반반」이거나,「2개의 상태가 어느 비율로 혼재된 상태」일수 있다.

양자bit이 이러한 상태를 취하는 것은, 양자적 입자가 2개소에 동시에 존재되기도 하고, 2개의 다른 물리적 상태를 동시에 취하는 것이 가능하기 때문이다.「중첩성(Superposition)」이라는 성질이다. 양자bit는 2개의 상태를 동시에 취하는 것만이 아니라,「Entanglement(양자 얽힘)」로 불리는 성질을 통하여 상호에”연결되는”것이 가능하다. 양자 얽힘에 있는 일대의 입자는, 공간적으로 떨어져 있어도, 한쪽에 대해서 행해진 행위의 영향이 순식간에 다른 쪽에도 전해진다.

이러한 성질의 덕분으로, 양자컴퓨터에서는 대규모의 병렬처리가 가능하게 된다. 일련의 양자bit가 양자 얽힘에 있는 경우, 그 중의 하나에 단순한 조작을 가하면, 다른 모든 것이 영향을 받는다. 아주 적은 양자bit라도. 0와 1 그 외의 다른 다양하게 중첩되어 있는 양자bit가 모두 상호 의존되는 양자 얽힘 상태가 되는 것으로, 극히 복잡하고 방대한 가능성을 표현 가능하다.

종래의 컴퓨터가 한번에 하나의 가능성 밖에 시험할 수 없는 것에 대하여, 양자컴퓨터는 문제에 대한 답의 후보 모두를 동시에 테스트가 가능. 단지 수백 개의 양자bit로, 한번에 시험할 수 있는 답의 후보는 전 우주에 존재하는 입자의 수보다도 더 많게 된다.

지금까지 많은 연구소에서 10양자bit 이하의 소규모 양자계산시스템이 만들어져 왔다. 그러나 양자bit수를 늘리면, 계를 외부환경으로부터 차폐하는 것이 한층 곤란해진다. 그리고 그러한 외부환경에서의 간섭이, 양자컴퓨터를 특별한 것으로 하고 있는 중첩성과 양자 얽힘의 양자적 성질을 파괴하고 만다.

복수의 상태의 중첩은, 외계로부터 격리된 상황에서만 존재 가능하다. 중첩된 상태에 있는 입자를 관측하면, 입자는 한 개의 상태로 수축된다. 중첩된 상태에서 한 개의 가능성이 선택되면 이 시점에서 양자적 성질을 잃어버려, 양자bit는 종래의 컴퓨터와 같은 bit로 돌아온다. 바꾸어 말하면, 양자적 특질은 통상은 아주 작은 계에서만 보이고, 보다 커다란 외부 계와 접촉하면 잃어버리게 되는 것이다. (인디 뮤지션이 일부의 사람들에게만 알려져 있는 편이, 팬들의 마음에 강하게 어필하는 것과 같을지도 모른다) 

통상, 커다란 계는 복잡하고, 외부로부터 완전히 격리하는 것이 어렵기 때문에, 양자적으로 행동하지 않는다. 1개의 야구공과 세포가 2개소에 동시에 존재한다고 생각하는 사람은 없다.

-- 모듈 양자시스템 --
과제는, 필요한 양자적 성질을 잃지 않고 대규모화 하는 것이다. 단순히 양자bit를 하나의 네트워크로 넣어서 배선하고, 대규모 시스템을 억지로 하는 방법으로는 잘 갈 수가 없을 것이다. 이 예측은 캐나다의 D-Wave·Systems사가 개발한 수백~천 개의 양자bit을 배선한 머신의 현상을 생각하면 정확할 것이다. 동사는 이 머신이 고전계산 알고리즘보다도 단시간에 계산된다고 주장하고 있는데, 그곳에 대규모의 양자 얽힘 상태가 실현되고 있는 증거도, 계산속도의 우위성을 증명할 데이터도 아직 공표하고 있지 않다.

한편, 모듈방식은 대규모화에의 다른 방법을 제시하고 있다. 이 해결책은, 민간항공회사가 복잡한 항공네트워크의 관리에 사용하고 있는 방법과 유사하다. 다음으로 비행기에 탔을 때, 기내 지에 올려져 있는 운항노선 맵을 보면 좋겠다. 그것을 보면, 모듈방식에 의한 대규모 양자컴퓨터의 이미지를 잡을 수 있을 것이다. 항공회사는 모든 발착도시간에서 직행 편을 운행하고 있지는 않다. 그런 것을 하면, 코스트가 대단히 높아지게 되어 버린다. 그 대신 공항을 허브로 하여, 환승 편에 의해 간접적인 네트워크를 구성하고 있다. 항공회사는 직행 편을 희생하는 것으로, 운항 망을 확대·운영하고 있는 것이다.      
    
같은 방식으로, 모듈 양자컴퓨터도 개개의 양자bit을 다른 모든 양자bit을 연결하지 않고, 소수 개의 양자bit을 허브로 하여 다른 모듈과 연결한다. 바로 애틀란타가 허브로 되어 미국 남동부와 다른 지역을 연결하고 있는 것 같이 말이다. 모듈 형 네트워크라면, 각 모듈을 외부환경의 간섭으로부터 지켜가면서, 양자bit간의 상호작용의 총수를 제어 가능한 범위로 제한할 수 있다.

수천 개 또는 수백만 개의 양자bit을 간접적으로 연대시키는 것으로, 양자bit간의 직접접속을 희생시킨 것을 만회하는 것이다. 그러나, Multi Core Prosessor 등 종래의 모듈시스템과는 다른 공부가 있다. Multi Core Processor가 코아 내와 코아 간에 같은 타입의 배선을 사용하고 있는 것에 대해서, 모듈 양자시스템에서는 각 모듈을 격리한 상태로 모듈간에 필요한 양자 얽힘 상태를 생성하기 위해, 2종류 이상의 양자 링크가 필요하다.

과거 10년간에, 다른 종류의 양자bit을 사용한 3개의 방법이 태어났다. 우리들 저자 3인은 각자의 플랫폼을 독립적으로 개발하여 왔고, 이들이 신세대의 정보처리를 가능하게 하는 대규모의 양자컴퓨터로 이어질 것으로 믿고 있다.          

[ Key concept ]
양자적 성질을 가진 상태를 유지하며 대규모화

▶ 실용에 견디는 대규모의 양자컴퓨터를 만드는 것은 어렵다. 일반적으로, 입자가 많이 모이면 양자역학적인 활동이 보이지 않게 되고, 고전적법칙에 따라 가기 때문이다.

▶해결책의 하나는, 작은 양자컴퓨터를 많이 만들어서, 그 양자적 성질을 무너뜨리지 않는 정도의 최소한의 링크로 연결하는 것이 고려될 수 있다.「모듈 양자계산」이라 불리는 어프로치이다.

▶최근, 다양한 타입의 양자bit을 사용한 소규모 모듈의 테스트가 성공하여, 대규모화에의 길이 열려져 왔다.

양자적 성질 1 : 중첩 (Superposition)
원자나 소립자는 복수의 서로 다른 상태를 동시에 취하거나, 복수의 장소에 동시에 존재하는 것이 가능. 고전역학적인 물체, 예를 들면 팽이는 한 번에 한 방향으로만 돌 수가 있지만, 양자역학적인 입자는 동시에 역방향으로도 돌 수가 있다. 즉,「상 방향 스핀상태」「하 방향 스핀상태」에 있는 것이 가능하다.「중첩」이란 성질을 이용하여, 양자컴퓨터는 문제에 대한 복수의 답의 후보를 동시에 테스트가 가능하다.     

양자적 성질 2 : 양자 얽힘 (Entanglement)
Albert Einstein이「기분 나쁜 원격작용」이라고 부른 양자의 얽힘은, 일단의 입자에 한 방향으로 가해진 행위가, 그들 입자가 공간적으로 떨어져 있어도, 순간적으로 다른 한편에 영향을 주는 성질이다. 예를 들면, 어느 타입의 양자 얽힘 상태에서는, 만일 한쪽의 입자가 상향 스핀상태로 확인되어도, 다른 쪽은 하향 스핀상태에 있는 것이다. 이러한 성질을 이용하는 것에 의해, 선례가 없는 병렬처리가 가능하게 된다.

[ 양자컴퓨터를 만드는 3가지 방법 ]
양자역학의 불가사의한 법칙을 이용하는 양자컴퓨터는, 이론상, 종래의 컴퓨터에서는 불가능한 계산을 실행이 가능하다. 그러나, 양자컴퓨터가 대규모로 되면, 그 양자적 성질을 유지하는 것이 어려워진다. 이것을 회피하기 위한 방법의 하나가, 작은 양자컴퓨터를 많이 만들어서, 그 양자적 성질을 유지할 수 있을 정도의 최소한의 링크로 연결하여 한 개의 커다란 컴퓨터로 하는 방법이다(「모듈 양자계산」으로 불림). 아래에 제시한 유망한 3가지의 모듈구성은, 각각 서로 다른 종류의 양자bit을 시용하고 있다.    

▶원자이온 양자bit
제 1의 가장 간단한 방법은, 단일의 원자와 이온을 양자bit으로 사용하는 방법이다. 원자의 2개의 전자궤도를 2진 코드의「0」와「1」로 대응시켜, 그들의 중첩상태를 만든다.(아래 그림)3개의 모듈로 만드는 시스템개략 도이다. 가 모듈은 서로 양자 얽힘 상태에 있는 5개의 이온으로 구성된 미니 양자컴퓨터로, 모듈간은 가 모듈의 각 모듈의 양자적 성질을 유지한 방법으로 접속되어 있다. 각 모듈의 양단의 2개의 이온은 특별한 이온으로, 광자를 방출하여 타 모듈과 연결되는 것이다.    

▶초전도 양자bit
제 2의 방법은, 초전도회로로 된 ”인공원자”를 양자bit으로 사용하는 방법이다. 이 양자bit의「0」와「1」은, 전기회로 중에 마이크로파 광자(즉, 진동전류)가「없다」「있다」로 표시된다. 양자bit이 중첩된 상태에 있는 경우에, 광자는 회로 중에「있다」와 동시에「없다」가 된다. 모듈 내의 양자bit간에는, 모듈 내에서 잡혀진 광자를 통하여 양자적으로 얽히는 것이 가능하다. 그리고, 이들 광자는 케이블을 통하여 모듈간을 연결한다.     

▶고체스핀 양자bit
제 3의 방법은, 다이아몬드 등의 고체 중의 결함을 양자bit으로 사용하는 방법이다. 다이아몬드 결정 내의 하나의 탄소원자가 질소원자(nitrogen)로 대신하여, 그 옆의 빈자리(vacancy)로 된 복합결함은「질소-빈자리(NV) 중심」으로 불린다. 이 NV중심과 주위의 탄소원자가 각각 양자bit를 맡아, 각각의 스핀상태를「0」와「1」로 대응시킨다. 다이아몬드 결정 중의 결함클러스터가 각각 독립한 양자모듈로, 모듈간의 접속은 광자가 담당한다.    
 

-- 가슴 뛰는 미래 --
과거 20년간의 연구·개발에 의해 여기에 소개되는 모든 모듈방식의 소규모 시스템이 실험으로 실증되어 왔다. 향후의 과제는, 이들 기술을 사용하여 대규모 시스템을 만드는 것과, 실제로 흥미 깊은 응용에 사용되기 시작한 것이다. 그 목표는 이미 보여지기 시작했다고 우리들은 믿고 있다.

양자의 미래는 도전적이고 자극적이다. 양자 머신이 대형화하면, 그 제어도, 시스템 전체가 정말로 양자역학적으로 움직일 것인지를 확인하는 것도, 점점 더 어려워진다. 그러나 모듈 구성에서는 다행히, 개개의 모듈과 모듈간의 다양한 접속을, 시스템전체를 흔들지 않고 테스트하여 확인 가능하다. 최근 이 목표를 향한 몇 가지 중요한 진전이 있었다.

그리고, 비교적 소규모 모듈 양자컴퓨터에도 대단한 응용의 가능성이 있다.「양자판 인터넷」의 골격이 가능해진 것이다. 복수의 소규모 양자Processor를 양자 얽힘 광자로 연결하면, 가 프로세서가 중계기의 역할을 하여, 안전한 양자통신의 거리를 대륙간 거리(1,000~1만km)로 확대 가능. (현재의 양자통신의 상한은, 종래의 광통신용 Fiber에 의한 광자의 손실로 인해 약 100km)

아직, 모듈 양자머신의 구성요소는 이미 세계에서 가장 정확한 시계에 들어 가고 있고, 중성원자나 이온에 근거한 신세대의 광 원자시계에서 커다란 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 그러한 시계를 양자 네트워크에 연결하여, 지금까지 없던 안정도와 정확한 시간을 알리는 단일의 세계표준「세계시계」를 만드는 구상이 제안되고 있다.

미니 양자네트워크는 복잡한 화합물이나 생물 계에 있어서 나노스케일의 분해능을 가진 전자장이나 온도의 정밀센서로도 사용될 수 있다. 예를 들면, 고체 중의 결함의 전자스핀이나 핵스핀을 이용하여, 1원자분해능에서의 자기공명화상의 촬영에 성공하고 있다. 이 기술을 사용하면, 개개의 분자를 직접화상화가 가능할 것이다. 생물과학과 재료과학에 기초적인 정보를 제공함과 동시에 의료진단과 의약품 개발 등에 새로운 툴을 제공할게 될 것이다.

양자컴퓨터가 실현 가능할지 아닐지를 묻는 시대에서, 양자컴퓨터를 어떻게 대규모화할 것인지, 그것에 의해 무엇이 가능할 지를 논의하는 시대에 들어 왔다. 양자컴퓨터가 세상을 어떻게 변화시켜 갈 것인지, 현시점에서는 누구도 알 수 없다. 그렇지만, 그 답은 머지않아, 모듈 양자계산네트워크의 출현과 함께 분명해질 것이다.


전자 암호가 등장하는 날 (The Quantum Hack)
양자컴퓨터가 등장하면 현재의 암호는 사용할 수 없게 된다. 그 대책은?
Tim Folger (Science Writer)


전자암호연구, 일본의 최전선을 본다.
산학관이 일체가 되어 전자암호의 실용화를 향해 연구가 진행


       -- 끝 --