일본산업뉴스요약

실현이 다가온 양자컴퓨터
「최적화 문제」를 푸는 아키텍처 개발

현재 최고속 슈퍼컴퓨터에서 몇 백 년 걸리는 계산을 순식간에 푼다고 알려진, 양자컴퓨터의 실현이 다가오고 있다. 최근 십 수년간. “2020년에 실용화” “2050년까지 걸린다.” 등 다양한 이야기가 있었다. 하지만, 양자역학의 법칙에 근거한 “정통파” 만이 아닌, 지금은 다양한 계산기가 등장하고, 실용성을 내세운 성과도 속속 나오고 있다. “꿈의 계산기”는 창약의 효율화와 정확한 기상예측, 제조의 고도화 등에 위력을 발휘한다. 인공지능(AI)의 성능도 폭발적으로 향상될 것이다.

-- 병렬처리 --
양자컴퓨터는, 다른 두 가지의 물리적인 상태를 동시에 취할 수 있는, 양자역학적인「중첩(Superposition)」의 성질을 이용하여 계산한다. 현대 컴퓨터는 한번에 한 가지의 계산밖에 하지 못하지만, 양자컴퓨터는 이 중첩의 원리로 인해, 복수의 계산을 동시에 할 수 있다. 때문에, 한 번의 계산에서 대규모의 병렬처리가 가능한 것이다.

예를 들어, 현재의 암호는 해독에 막대한 시간이 걸리는 것에서 그 안전성을 확보하지만, 양자컴퓨터가 실현되면, 기존의 암호는 손쉽게 풀 가능성이 있다. 암호는 휴대전화와 인터넷, 전자머니 등 우리의 생활에 침투하고 있고, 이들의 서비스의 근본을 뒤엎을 우려가 있다.

-- 성능은 1억배 --
단, 실용적인 양자컴퓨터는 현 시점에서는 실현되지 않는다. 2010년에 “세계 첫 상용 양자컴퓨터” 라고 내세우고, 세계에서 주목 받은 캐나다의 디웨이브 시스템즈(D-Wave Systems)의 양자계산기「디웨이브」. 이 계산기는, 현대 컴퓨터보다 1억배 고속으로 계산 가능하다 하고, 미국의 구글과 NASA가 채용하고 있다.

디웨이브는, 양자역학의 효과를 이용한, 양자계산의 한 수법인「양자 어닐링(Quantum Annealing)」방식을 사용한다. 1998년에 양자 어닐링을 제창한 도쿄공업대학의 니시모리 교수는, “조합 최적화 문제를 해결하기 위한 계산기.” 라고 설명한다. 더욱이 최근에는, AI의 기반기술인 기계학습을 위한「샘플링」에도 활용 가능한 점에서, 각광 받고 있다.

「양자 게이트」방식의 전통적인 양자컴퓨터와는 다르지만, ”일부의 과제는 실용 영역에 진입하고 있고, 이런 양자컴퓨터가 AI의 연구를 보다 가속시킨다.” 라고 니시모리 교수는 보고 있다.

일본에서는, 내각부의 산학관 연계의 대형 프로젝트인「혁신적 연구 개발 추진 프로그램(ImPACT)」에서, 양자 인공 뇌의 연구가 진행된다. 2016년 10월, 야마모토 매니저는, 인간의 뇌를 모방한「레이저 네트워크 방식」의 양자계산기를 개발하고, 미 과학지 사이엔스에 2개의 논문을 발표했다. 계산 가능한 비트 수는 2048비트로 디웨이브의 약 1.8배에 달한다.

-- 실온에서 가동 --
양자역학에 있어서 파속의 수축으로 인해 일어나는「양자상전이(Quantum phase transition)」를 원리로 동작하고, “현대 컴퓨터보다 50배 빠르게 조합하여 최적화 제를 풀 있다.” (야마모토 씨) 라고 말한다.

디웨이브를 포함한 기존의 양자계산기는 초전도회로를 사용하기 때문에, 극저온에서 열을 식힐 필요가 있다. 한편, 일본에서 개발한 계산기는 실온에서 가동 가능한 점도 실용성이 높다. 2017년중에 일부에서 실용화할 전망이다.

양자계산기의 활용에서 빈번히 이야기되는,「조합최적화 문제」에 대한 적용이다. 이것은 현대 컴퓨터가 어려워하는 영역이기도 하고, 다양한 조건 하에서 다수의 선택지로부터 최선의 답을 선택하는 문제를 이야기한다. 창약과 통신망의 최적화, 신재료탐색, 기계학습 등 다양한 문제를 다룰 수 있다.

그러면, 양자계산기가 아니더라도, 조합최적화 문제가 풀 수 있는 컴퓨터라면, 바로라도 활용 가능한 것은 아닐까. 이러한 관점에서, 기존의 반도체회로를 사용하여, 확장하기 쉬운 계산기를 개발하려고 하는 흐름도 나오고 있다.

-- AI의 현명함 향상 --
히타치제작소는 2015년, 반도체의 올림픽이라고 불리는 권위 있는 국제회의「국제고체소자회로회의(ISSCC)」에서, 약 1조의 500승의 방대한 조합에서, 삽시간에 답을 찾는 신형 컴퓨터 칩을 발표했다. 2, 3년 후의 실용화를 목표로 하고 있다.

후지츠도 2016년, 조합최적화 문제를 푸는 새로운 계산기 아키텍처를 개발하고, 현대 컴퓨터 보다 약 1만배 고속으로 계산 가능한 것을 확인했다. 2018년에 계산기를 시작한다. 양사 모두 디웨이브를 의식하고 있고, 반도체에서 양자계산기에 필적하는 성능을 낼 수 있다고 강조한다.

미국의 IBM과 구글 등이 개발하는 “본가”의 양자컴퓨터는, 현상에서 비트 수가 10비트 이하로 실용화에는 거리가 멀다. 초전도회로 외에 인공원자와 원자이온을 사용한 수법도 있고, 이것들은 아직 기초연구 중이다.

사회의 과제해결과 AI를 비약적으로 현명하게 하는 양자컴퓨터. 올해도 국내외의 동향에서 눈을 땔 수 없다.

   -- 끝 --