일본산업뉴스요약

양자컴퓨터, 일본도 도전한다
연구의 제 1인자에게 묻는다

차세대 고속 계산기로서 기대를 받고 있는 양자컴퓨터를 둘러싼 연구가 세계에서 열기를 띄고 있다. 미국 구글 및 IBM, 중국의 알리바바그룹 등 해외 기업의 활동이 화제의 중심이 되고 있지만, 일본에서도 실현을 목표로 하는 움직임이 있다. 이 분야의 연구를 견인하고 있는 NTT 양자계산과학연구소의 야마모토(山本) 소장과 도쿄대학의 나카무라(中村) 교수에게 개발 상황 및 전개 등에 대해 물었다.

■ NTT 양자계산과학연구소 야마모토 소장
신약 개발 등 5년안에 응용

NTT는 빛을 이용한 ‘코히런트 이징머신(Coherent Ising Machine)’이라는 독자적 수법에 의한 컴퓨터 실현을 목표로, 미항공우주국(NASA) 및 미국 스탠퍼드대학 등과 공동 연구를 개시했다. 방대한 선택지 중에서 최적의 해답을 찾아내는 ‘조합 최적화 문제’에서 위력을 발휘하고 있다. 미국에 거점을 두고 있는 양자계산과학연구소의 야마모토 소장은 “기존의 수법을 압도하는 성능을 목표로 한다”라고 의욕을 보였다.

구체적인 응용 사례로서는 ‘신약 개발 및 생체 촉매의 설계’ 등을 제시했다. 신약 개발의 초기 단계에서 표적이 되는 단백질과 결합하는 화합물을 특정하는 활용법 등을 상정한다. 야마모토 소장은 “몇 십 조라는 후보 중에서 가장 유망한 것을 100개만 찾아내는 것과 같은 작업이 필요하다”라고 지적하며 이와 같은 분야에서 유용성을 발휘할 것으로 예상하고 있다고 밝혔다.

조합 최적화 문제는 신약 개발 및 물류 외에도 화상 처리나 인공지능(AI) 등 응용 가능한 범위는 넓다. 공동 연구가 잘 추진된다면 MRI로 중요한 화상만을 효율적으로 처리해 시간을 대폭 단축시키는 등의 효과도 기대할 수 있다고 한다. 야먀모토 소장은 “5년 안에 목표를 달성하고 싶다”라고 표명했다.

코히런트 이징머신을 활용한 NTT 등에 의한 방식은 ‘양자 뉴럴 네트워크’로도 불리고 있다. 양자역학이라는 물리 법칙을 기반으로 한 빛의 특성을 계산 과정에서 이용한다. 미국 구글 등이 개발하는 ‘게이트 방식’의 양자컴퓨터와는 구조가 크게 다르다.

게이트 방식은 범용성이 높은 반면, 극저온으로 냉각시킬 필요가 있어, 대규모화 등에 있어서 과제를 안고 있다. NTT의 독자적 방식은 용도가 한정되지만, 냉각시킬 필요 없이 규모도 확장하기 쉽다는 이점이 있어 경합이 가능할 것으로 보고 있다.

또한 야마모토 소장은 양자컴퓨터의 미래상에 대해 “(신규 설계를 기반으로 한 장치 등에서) 소프트웨어로 실현될 가능성이 있다”라며, 현재 생각되고 있는 것과는 전혀 다른 방식의 등장도 있을 수 있다고 전망했다.

■ 도쿄대학 나카무라 교수
메인 방식인 게이트 방식으로 실현을 노린다

도쿄대학의 나카무라 교수는 NEC 재적 당시인 1999년에 양자컴퓨터의 기본 소자인 ‘초전도 양자비트’를 세계 최초로 실현했다. 그는 양자 계산의 하드웨어 연구에서 선구자와 같은 존재이다. 현재는 이화학연구소에도 적(籍)을 두고 있으며 2018년부터 시작된 국가 프로젝트에서 양자컴퓨터의 메인 방식으로 간주되는 ‘게이트 방식’의 연구 개발을 이끌고 있다.

게이트방식의 양자컴퓨터는 현재 계산 능력을 좌우하는 양자비트 수가 50개 정도에 달하고 있다. 이것을 늘려 대규모로 집적화하는 것이 커다란 테마이다. 프로젝트에서는 10년 후에 100개의 양자비트를 실현하는 것을 목표로 내걸고 있다. 나카무라 교수는 “더욱 발전시키고 싶다”라고 의욕을 내비쳤다.

양자비트 수를 늘리기 위해서는 제어 등을 위한 배선이 복잡해 지는 과제를 극복해야 할 필요가 있다. 나카무라 교수 팀은 타계책으로 양자비트에 대해 3차원적으로 배선하는 기술을 연구하고 있다. 현재는 16개 양자비트의 칩에 의한 실험을 추진하고 있는 단계이다.

개발 중인 양자컴퓨터를 인터넷에 공개해 외부 연구자가 시험에 사용하도록 하는 시도에 대해서도 “가능하다면 빠른 단계가 좋다”라고 말한다. 사용한 연구자의 평가를 연구 개발에 활용해 나가려는 생각 때문이다.

게이트 방식의 양자컴퓨터에서는 미국 구글이 2019년에 53개 양자비트를 사용해 최첨단 슈퍼컴퓨터를 상회하는 계산 성능을 증명해 보였다. 나카무라 교수는 구글의 성과에 대해 “그들의 기술 수준은 상당히 높다. 배워야 할 점이 많다”라고 치켜세웠다.

계산할 때 발생되는 오류를 효율적으로 정정해 나가는 구조의 실현 등 어려운 과제는 아직도 많이 남아 있어 본격적인 양자컴퓨터의 실현까지는 20년 이상 걸릴 것이라고도 말하고 있다.

나카무라 교수는 일본의 대응 과제로서 “(연구자의) 커뮤니티 전체의 볼륨이 아직 작다”라는 점을 지적하며 인재 육성이 중요하다는 뜻을 내비쳤다.

-- 해외와 10년~20년의 승부 --
양자컴퓨터의 개발에서는 미국의 구글, IBM과 같은 거대 기업이 참여, 중국도 정부 차원에서 프로젝트를 추진하고 있다. 그런 가운데 일본이 존재감을 나타내는 것은 쉽지만은 않다.

일본은 양자컴퓨터와 관련이 깊은 물리나 화학의 기초적인 연구에서는 지금까지 일정한 지위를 구축해 왔다. 일렉트로닉스나 통신, 재료, 엔지니어링 등의 요소 기술도 아직 강점을 발휘할 수 있는 여지가 있다고 보고 있다.

인터넷이나 인공지능(AI)의 활용에서는 뒤처져 있으나, 소프트웨어 기술을 중심으로 하는 이들 분야에 비해 양자컴퓨터에서는 일본에게도 아직 찬스가 있을 것으로 기대되고 있다.

양자컴퓨터의 연구 개발은 향후 10년~20년에 승부가 결정된다. 주력 방식인 ‘게이트 방식’도 많은 과제를 안고 있어, 어느 기술이 어떤 형태로 꽃을 피울지는 예측하기 어렵다. 기초적인 연구를 착실히 추진하는 한편, 산업 응용으로 연결시키는 연구에도 힘을 쏟을 필요가 있다.

▶ 양자컴퓨터의 주요 방식과 특징
- 양자 게이트; 극저온으로 냉각시키는 초전도 기술 등으로 양자비트를 실현. 범용성은 높으나 대규모 집적화 등에 과제가 많다.

(미국 구글, 미국 IBM, 중국 알리바바그룹)
- 양자 어닐링; 초전도 기술을 이용. 조합 최적화 문제에 특화된 산업 응용에 적합한 연구가 추진
(캐나다의 D-웨이브시스템즈, NEC)
- 양자 뉴럴 네트워크; 계산 과정에서 빛의 양자역학적 특성을 이용. 상온에서 작동하는 등의 강점을 가지고 있으며 조합 최적화 문제로의 적용을 예상
(NTT)

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