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Nikkei X-TECH_2021.5.28

양자컴퓨터의 실용화, 의외로 가깝다
‘금융 분야는 5년 후'라는 예측도 나와

실용적인 성능을 발휘할 수 있는 ‘오류 정정이 가능한 양자컴퓨터’를 2029년까지 개발한다는 목표를 마침내 구글이 공식 발표했다. 하지만 양자컴퓨터의 실용 시기에 대해 더 빨라질 것이라는 견해도 나오고 있다. 미국의 골드만삭스는 그 시기를 5~10년 이내로 발표, 미국의 아마존웹서비스(AWS)도 심상치 않은 움직임을 보이고 있다.

구글의 피차이 CEO는 5월 중순에 개최된 연차보고회 ‘Google I/O’에서 100만 양자 비트 탑재 및 오류 정정이 가능한 양자컴퓨터를 2029년까지 개발한다는 로드맵을 밝혔다.

양자컴퓨터가 기존형 컴퓨터(고전 컴퓨터)로는 불가능한 실용적인 성능을 발휘하려면 수 백~수 천 개의 양자비트가 필요하다. 게다가 양자비트의 정보는 상당히 손상되기 쉽기 때문에 다른 양자비트에 의해 정보가 사라지지 않도록 보완해야 한다.

이것이 바로 양자비트의 오류 정정 기술이다. 정보가 사라지지 않는 ‘논리 양자비트’ 1개를 만들어내기 위해서는, 1,000개의 ‘물리 양자비트’가 필요하다. 100만 개의 물리 양자비트가 있으면 논리 양자비트 1,000개를 만들 수 있게 되는 것이다. 논리 양자비트가 1,000개 있을 경우, 분자 내부의 현상을 재현하는 '양자화학 시뮬레이션' 등에 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한 RSA 암호의 해독 등에는 더 많은 논리양자비트가 필요하게 될 전망이다.

현재의 양자컴퓨터는 'NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터)'라 불리며, 물리 양자비트 수가 수십 개로 적어 양자비트의 오류를 정정할 수 없기 때문에 실용적인 성능을 발휘하지 못하고 있다. 구글은 향후, 물리 양자비트 수를 100개, 1,000개, 1만개 등 단계적으로 늘려 나가 2029년까지 100만 개 양자비트의 하드웨어 실현을 목표로 하고 있다.
 

-- 골드만삭스, 새 알고리즘 개발 --
양자컴퓨터의 실용화 시기에 대해 ‘더 빨라질 것이다’라는 견해도 나오고 있다. 이러한 주장에는 두 가지 종류가 있다. 하나는 5~10년 안에 등장하는 NISQ 하드웨어라도 기존형 컴퓨터보다 큰 폭의 성능 향상을 기대할 수 있다 라는 견해. 또 다른 하나는 더 이른 단계에서 양자 오류 정정이 실현될 수 있다는 견해이다. 전자에 대해서는 골드만삭스가, 후자에 대해서는 AWS가 주목할 만한 발표를 하고 있다.

골드만삭스는 4월 29일(미국 시간), 미국 스타트업 기업 QC웨어(QC Ware)와 공동으로 금융 분야에서 양자컴퓨터의 실용 시기가 5~10년 안에 도래한다는 연구 성과를 발표했다.

골드만삭스와 QC웨어는 5~10년 안에 등장하는 NISQ 양자컴퓨터를 사용해 금융파생상품 리스크 분석 등에 필요한 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 실행하는 새로운 알고리즘을 개발했다.

기존에도 양자컴퓨터를 사용해 몬테카를로 시뮬레이션을 실행하는 알고리즘은 존재했었다. 기존형 컴퓨터에 비해 시뮬레이션을 1,000배 이상 고속화할 수 있다고 알려져 있지만, 여기에는 오류 정정이 가능한 양자컴퓨터가 필요했다. 또한 골드만삭스와 IBM이 2020년 12월에 발표한 연구에 따르면, 양자컴퓨터를 통한 몬테카를로 시뮬레이션에는 7,500개 이상의 논리 양자비트가 필요하다고 한다.

이에 반해, 골드만삭스와 QC웨어가 이번에 발표한 알고리즘은 시뮬레이션 실행의 고속화를 기존형 컴퓨터 대비 100배 정도 달성할 수 있으며, 오류 정정을 할 수 없는 NISQ 양자컴퓨터라도 실행이 가능하다고 한다.

금융기관에서는 현재 슈퍼컴퓨터를 사용해 하룻밤에 걸쳐 파생금융상품(디리버티브)의 리스크 분석을 하고 있는 실정이라고 한다. 만약 그 시간을 100분의 1로 단축할 수 있다면 금융시장이 열려 있는 낮 시간대에 최신 시장 상황을 반영한 리스크 분석을 할 수 있게 된다. NISQ 양자컴퓨터가 금융기관에 매우 큰 가치를 가져다 줄 가능성이 있다.

-- AWS가 양자 착오 정정의 새로운 기법을 제안 --
AWS는 2020년 12월에 양자 오류 수정의 새로운 기법을 논문에서 발표한 바 있다. ‘슈뢰딩거의 고양이 양자비트’라고 부르는 기술을 이용하는 것으로, 기존에 생각되고 있는 것보다 적은 수의 물리 양자비트로 오류 정정을 실현하는 방법을 고안했다고 한다.

앞서 소개한 바와 같이, 구글 등은 오류 정정을 통해 정보가 사라지지 않는 논리 양자비트를 1개 만들어 내기 위해서는 1,000개의 물리 양자비트가 필요하다고 말하고 있다. 이에 반해 AWS가 제안한 기법은 2,000개의 물리 양자비트로 100개의 논리 양자비트를 만들어 낼 수 있다. 1,000대 1의 비율을 20대 1까지 줄일 수 있다는 것이다.

AWS도 구글과 동일하게 초전도 방식의 양자비트를 채택하고 있다. 초전도 방식의 양자비트는 희석 냉동기로 절대 영도에 가까운 극저온으로 냉각시켜야 할 필요가 있다. 구글은 100만개의 물리 양자비트를 격납할 수 있는 방 크기의 거대 희석 냉동기를 개발할 방침을 밝혔다. 반면 AWS는 2,000개의 물리 양자비트의 경우, 현재 크기의 희석 냉동기에도 격납이 가능하다고 주장한다.

AWS는 오류 수정 방식을 제안했을 뿐, 아직 실제 기기를 제시한 것은 아니다. 골드만삭스가 개발한 알고리즘을 실행할 수 있는 NISQ도 아직 등장하지 않았다. 양자컴퓨터의 실용화에 대해 아직까지는 기대만 있을 뿐이지만, 그 열기는 높아지고 있다.

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