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Nikkei X-TECH_2024.7.10

양자컴퓨터 '경기장', 2025년 오픈
양자컴퓨터가 맞이할 챗GPT 모먼트

다양한 방식의 양자컴퓨터가 한 곳에 모여 서로 성능을 겨룬다. 그런 양자컴퓨터의 '경기장'이 2025년 문을 연다. 경쟁의 무대는 산업기술종합연구소(산총연)의 ‘양자/AI 융합기술 비즈니스개발 글로벌연구센터(G-QuAT)’다.

산총연의 G-QuAT에서는 2025년에 3개의 컴퓨터가 가동될 예정이다. 미국 NVIDIA의 AI(인공지능)용 GPU(그래픽처리장치) ‘H100’을 2000기 이상 탑재하는 슈퍼컴퓨터 ‘ABCI-Q’, 후지쓰가 개발한 초전도 방식의 양자컴퓨터, 미국 스타트업 기업 큐에라컴퓨팅(QuEra Computing이 개발한 냉각 원자 방식의 양자컴퓨터이다. 이것들로 ‘양자/AI 클라우드 플랫폼’을 구성한다. 이 플랫폼에는 새로운 양자컴퓨터의 추가도 상정되어 있다.

GPU 슈퍼컴퓨터인 ABCI-Q를 구축하는 것은 후지쓰이며, 산총연과의 계약액수는 92억4000만 엔이다. 후지쓰의 초전도 방식 양자컴퓨터의 계약액은 59억 9500만 엔, 큐에라컴퓨팅의 냉각 원자 방식 양자컴퓨터의 계약액은 64억 9999만 9999엔이다.

-- '테스트베드'로서 일반에 공개 --
양자/AI 클라우드 플랫폼은 양자컴퓨터의 성능을 검증하거나 양자 애플리케이션을 개발하는 ‘테스트베드(실증환경)’로서 연구자나 기업에 공개된다. 상세한 것은 아직 정해지지 않았지만 산총연의 AI 슈퍼컴퓨터 ‘ABCI(AI Bridging Cloud Infrastructure)’와 마찬가지로 종량 과금제로 이용할 수 있게 될 전망이다.

GPU 슈퍼컴퓨터인 ABCI-Q에서는 엔비디아가 개발한 양자컴퓨터의 시뮬레이션 소프트웨어 'CUDA-Q'를 이용할 수 있다. 양자컴퓨터의 실제기기를 사용한 처리가 슈퍼컴퓨터에서의 시뮬레이션대로 결과를 내고 있는지 여부를 검증할 수 있다.

“다양한 방식의 양자컴퓨터와 기존 방식의 슈퍼컴퓨터가 이웃해, 인터넷을 통하지 않고 이용할 수 있는 환경은 전 세계를 찾아봐도 없다. 다른 방식의 양자컴퓨터를 리얼하게 비교할 수 있는 환경은 사용자 입장에서는 매력적일 것이다”(G-QuAT의 호리베(堀部) 센터장).

-- 광방식 양자컴퓨터 등의 추가를 검토 --
호리베 센터장에 따르면, 양자/AI 클라우드 플랫폼에는 다른 방식의 양자컴퓨터가 추가될 수 있다고 한다. 유력한 후보 중 하나가 광방식 양자컴퓨터다. 또한 가동 5년 후인 2030년에는 양자/AI 클라우드 플랫폼 자체를 차세대기로 바꿀 예정이다. 그 때에는 미국 IBM의 양자컴퓨터가 추가될 가능성이 있다고 한다.

산총연은 2024년 5월 10일, 차세대 양자컴퓨터나 양자컴퓨터의 공급망 개발 추진을 위해 IBM과 연구협력각서(MOU)를 체결했다. 이 계획으로 개발한 차세대 양자컴퓨터를 테스트베드에서 이용할 수 있게 될 전망이다.

산총연이 양자컴퓨터를 비교/검증하는 장을 마련하는 것은 현재 전 세계에서 양자컴퓨터 개발 경쟁이 격화하고 있기 때문이다. 각 사가 목표로 하는 것은 양자비트의 오류(에러)를 정정할 수 있는 ‘오류 내성 양자컴퓨터(FTQC, Paul-Tolyerant Quantum Computer)’이다.

-- 주전장은 NISQ에서 FTQC로 --
현재, IBM이나 미국 IonQ 등 여러 업체가 양자컴퓨터를 개발하고 있어, 실제 기기를 클라우드를 통해 이용할 수 있는 서비스를 제공하고 있다. 다만 이들 양자컴퓨터는 양자비트 수가 적어 양자 오류 정정도 할 수 없는 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer)다. NISQ는 노이즈가 많고 정확한 동작을 기대할 수 없기 때문에 실용성이 부족하다.

양자비트의 오류를 정정할 수 있는 FTQC라면, 특정 용도에서 기존의 컴퓨터(고전 컴퓨터라고도 불린다)를 훨씬 웃도는 성능을 발휘할 수 있음을 보여준다. 그러나 NISQ는 고전 컴퓨터를 능가하는 성능을 발휘할 수 있을지 여부도 모른다. 오히려 많은 연구자들은 NISQ로 고전컴퓨터를 뛰어넘는 것은 불가능하다고 보았다.

그럼에도 당분간 사용자가 이용할 수 있는 양자컴퓨터는 NISQ에 국한된다. 이 때문에 우선은 NISQ를 사용해 뭔가 유용한 애플리케이션을 실행할 수 없는지를 탐색하는 것이 2017년부터 약 5년간의 흐름이었다.

그러나 최근에 많은 업체들이 “2030년경까지 FTQC의 실현을 목표로 한다”라는 의욕적인 로드맵을 제시하기 시작했다.

-- 양자 오류 정정의 '증거'가 이어지다 --
뿐만 아니다. 일부 제조업체와 연구자들은 실제로 양자비트의 오류를 정정할 수 있다는 증거를 제시하기 시작했다.

가장 앞선 것은 미국 구글이다. 구글은 2023년 2월, 양자 오류 정정이 가능함을 실험으로 보여줬다고 발표했다. 양자 오류 정정에 사용하는 '물리 양자비트'의 수를 17개에서 49개로 늘렸더니 양자 연산의 오류율이 약간 감소했다고 한다.

양자 오류 정정에서는 복수의 물리적인 양자비트를 연계하여, 어느 물리 양자비트에서 발생한 오류를 다른 물리 양자비트의 정보를 사용해 보정한다. 이러한 보정을 반복함으로써 장시간에 걸쳐 정보를 유지하는 ‘논리 양자비트’를 실현한다.

구글의 실험에서는, 이 양자 오류 정정의 구조가 실제로 유효하다는 것을 보여줬다. 구글에 따르면, 앞으로 물리 양자비트 수를 1000개까지 늘리면 유효한 연산을 할 수 있는 수준까지 논리 양자비트의 오류율을 낮출 수 있을 전망이다.

2023년 12월에는 미국 하버드대학, 퀘라컴퓨팅, 매사추세츠공과대학 등의 연구팀이 48개의 논리 양자비트를 통한 복잡한 알고리즘을 성공적으로 실행했다고 발표했다. 실험에는 최대 280개의 물리 양자비트를 탑재하는 냉각원자형 양자컴퓨터를 사용했다.

2024년 4월에는 미국 마이크로소프트와 이온 트랩 방식의 양자컴퓨터를 개발하는 퀀티넘(Quantinuum)이 공동으로, 30개의 물리 양자비트에 의해 4개의 논리 양자비트를 구성해, 논리 양자비트의 에러율을 물리 양자비트에 비해 800배 개선했다고 발표했다.

-- 양자컴퓨터의 '챗GPT 모멘트' --
FTQC의 실현 시기가 기존 예측보다 빨라질 가능성이 나온 것을 두고, 미국의 대형 컨설팅 회사인 보스턴컨설팅그룹(BCG)은 2024년 1월에 “양자컴퓨팅의 ‘챗GPT 모멘트’는 예상보다 가깝다”라는 보고서를 발표했다.

BCG는 이 보고서에서, 기업에게 투자 대비 효과가 높은 양자컴퓨터 애플리케이션이 이르면 2025년부터 2026년에 등장할 것으로 예측했다. 대화형 AI 서비스인 '챗GPT'는 2022년 11월 등장해 많은 기업이 생성형 AI와 대규모언어모델(LLM)의 위력을 실감했다. 마찬가지로 많은 기업이 양자컴퓨터의 위력을 실감하는 것이 BCG가 말하는 ‘챗GPT 모멘트’이다.

FTQC가 조기에 실현될지는 아직 아무도 모른다. 그럼에도 FTQC가 실현됐을 경우를 가정해, 어떻게 하면 FTQC를 활용할 수 있을지를 기업들도 검토하기 시작하는 편이 좋다는 게 BCG의 주장이다.

일본의 사용자들도 FTQC를 향해 움직이기 시작했다. 국립암연구센터 히가시병원이 중심이 되어, 양자컴퓨터를 신약 개발에 응용하는 연구를 제약회사 등과 공동으로 진행하는 산학제휴컨소시엄의 설립을 검토하고 있다.

제약회사가 컨소시엄에 자금을 제공하고, 다양한 의료기관과 제약회사가 공동으로 양자컴퓨터 검증 등을 진행한다. FTQC의 실현이 다가오고 있음을 전제로, FTQC에 가까운 위치에 있는 양자컴퓨터를 선택해 사용할 생각이다.

G-QuAT의 호리베 센터장은 “어느 방식이 주류가 될지, 우리(산총연)가 결정할 생각은 없다”라고 말한다. 어떤 진영이 FTQC를 구현할 수 있을지, 초기 FTQC의 성능이 얼마나 될지는 아직 알 수 없다. 양자컴퓨터에 주목하고 있는 사용자 기업은 앞으로 스스로 양자컴퓨터를 검증해 FTQC 시대에 대비하게 될 것이다.

 -- 끝 --

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