일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
반도체 기술로 양자컴퓨터 개발
히타치∙ 케임브리지 대학 등, 범용적 ‘양자 게이트’ 방식으로

슈퍼컴퓨터의 능력을 뛰어넘는다고 알려져 있는 양자컴퓨터. 얼마 전까지 그 실현은 먼 미래의 일이라고 전망되었지만 기술의 진전으로 실용화에 대한 기대가 급속도로 높아지고 있다. 히타치제작소가 영국 거점을 중심으로 개발하고 있는 것은 범용적인 ‘양자 게이트’ 방식의 양자컴퓨터. 시뮬레이션의 초고속화 등을 통해 신약 개발 및 재료 개발에 혁신을 불러일으킬 가능성이 있다.

-- 실리콘 채택 --
전자의 개발자인 조지프 존 톰슨, 원자핵의 존재를 증명한 어니스트 러더퍼드, DNA의 이중나선 구조를 밝힌 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭 등, 29명의 노벨상 수상자들을 배출한 영국의 케임브리지 대학의 캐번디시연구소. 히타치는 1989년, 이 곳에 일본 기업으로서는 처음으로 공동 연구소를 설립했다. 최첨단 물리학에 대한 지식을 일렉트로닉스에 활용하는 것이 목적으로, 현재 약 20명의 연구원을 보유. 2000년경부터 시작된 양자컴퓨터 연구에도 주력하고 있다.

기존의 컴퓨터가 0과 1로 처리하는 반면, 양자컴퓨터는 0이기도 하고 1이기도 한 양자 세계의 현상을 이용. 한 번 처리로 다수의 계산이 가능하다. 0이기도 하고 1이기도 한 상태는 양자역학에서는 ‘중첩’이라고 하며 정보 처리 단위를 ‘양자 비트’라고 한다.

이 중첩 상태를 만들어내는 것은 어렵다. 많은 기업들이 초전도 재료의 소자 개발을 추진하고 있다. 히타치는 반도체 재료인 실리콘을 사용한다.

-- 판독 정밀도 5배 달성 --
구체적으로는 3차원 입체형 트랜지스터 양자컴퓨터로의 응용을 추진한다. 소자의 외연부(外緣部)에 있는 ‘게이트’에 가해지는 전압을 조절해 내부의 실리콘 부분 좌우 모서리에 전자를 만들어낸다. 전자가 오른쪽과 왼쪽에 모두 존재하는 상태를 만들어 ‘중첩’을 실현하는 시스템이다.

무엇보다 전압을 가하는 방법으로 중첩 상태를 정밀하게 제어하는 것이 이점이다. 히타치는 7월에 전자 상태를 정확하게 파악하는 판독 정밀도가 기존의 5배로 향상되었다고 발표. 개발하는 소자가 양자 비트로서 기능할 수 있는 가능성이 생겼다.

-- LSI 기술 응용 --
경쟁하는 초전도 재료들이 수 십 양자 비트에 달하고 개발에서도 앞서 있지만, 히타치는 승산이 있다고 보고 있다. 현재 개발 중인 소자는 “대규모 집적회로(LSI) 기술을 응용해 집적이 용이하다”라고 쓰치야(土屋) 주임연구원은 강조한다.

실리콘제 소자는 크기가 수 십 나노미터 정도이다. 아직 1양자 비트의 기본 소자이지만, 본격적인 양자컴퓨터에는 수 천만~수 억의 양자 비트가 필요해 실리콘의 우위성은 높다.

양자컴퓨터는 성능 향상에 한계를 보이고 있는 기존의 컴퓨터를 대신해 기술 혁신을 일으킬 가능성이 크다. 양자 비트를 대규모화할 수 있다면 슈퍼컴퓨터로 1억년 걸리는 문제도 수 시간~수 일만에 계산할 수 있을 것이라고 알려져 있다. 소비 전력도 매우 적다.

이러한 양자컴퓨터는 의료 진단과 금융 분석, 신약 개발, 물류 경로 검색에서 위력을 발휘. 2030년경에는 일부 분야에서 실용화될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

현재 단계에서 히타치는 기본 소자 개발 전망을 높인 것에 불과하지만, “50 양자 비트를 가볍게 뛰어넘을 정도의 대규모화를 목표로 개발하고 있다”하고 미즈노(水野) 연구원장은 말한다.

패권 획득을 위한 경쟁 격화
IBM과 구글도 개발 중

양자컴퓨터가 주목 받게 된 계기가 된 것은 혜성처럼 등장한 캐나다의 벤처기업, D-웨이브시스템으로, 2010년에 양자어닐링(Quantum Annealing)이라고 하는 방식을 세계 최초로 실용화했다. 회의적인 전망과는 달리 순조롭게 성능을 높이고 있다.

양자 어닐링형은 기존 컴퓨터의 약점인 ‘조합의 최적화 문제’에 특화된 것이다. 최적의 택배 루트 검색 등, 무수의 선택지들 가운데 최적의 해답을 제시해준다.

한편, 양자 게이트형 양자컴퓨터는 보다 범용성이 높아, 다양한 응용을 기대할 수 있다. 이미 IBM, 구글, 마이크로소프트 등 미국 기업들이 개발에 착수, 경쟁이 격화되고 있다. 일본에서는 이화학연구소가 문부과학성의 주도 아래 NTT와 NEC, 도시바 등과 공동으로 개발하고 있다.

히타치제작소는 유럽 기관들과도 협력. 영국 케임브리지 대학 외에도 영국 유니버시티 칼리지 런던, 프랑스의 원자력∙대체에너지청(CEA)과도 협력, ‘호라이존(Horizon)’이라고 하는 EU의 대형 프로젝트의 지원을 받아 개발을 추진하고 있다. 어느 진영이 패권을 차지할지 귀추가 주목된다.

▶ 양자컴퓨터 연구의 역사
1980년대: 베니오프, 파인만 등이 양자컴퓨터 개념을 제창
1998년: 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 교수팀이 ‘양자 어닐링형’의 원리를 제창
1999년: 도쿄대학의 나카무라(中村) 교수팀이 ‘양자 게이트형’으로 이어지는 초전도 양자 비트를 세계 최초로 실현
2000년경: 히타치가 영국 거점에서 양자컴퓨터 연구를 개시
2010년: 캐나다의 D-웨이브가 양자 어닐링형을 상용화
2018년: 히타치 등 그룹이 반도체 기술을 이용한 소자 개발 전망을 높임
2022년 이후: 슈퍼컴퓨터로도 곤란한 계산이 가능해지기 시작
2030년경: 시뮬레이션 등의 분야에서 실용화 추진

 -- 끝 --