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Nikkei X-TECH_2022.7.26

양자컴퓨터의 능력을 모색, 'Q2B22 Tokyo' 리포트
‘양자 캐즘(정체)’, 어떻게 극복할 것인가
Q2B Tokyo가 보여준 해결 방안

양자컴퓨터의 비즈니스 응용에 관한 국제회의 'Q2B22 Tokyo'가 7월 13~14일, 도쿄에서 개최되었다. Q2B는 미국 실리콘밸리에서 매년 12월 개최되어온 회의로, 미국 밖에서 열리는 것은 이번이 처음이다. 벤더와 유저 기업, 연구자가 진행하는 강연에서는 양자컴퓨터를 둘러싼 기대와 과제가 제시되었다.

양자컴퓨터에 대한 산업계의 기대는 최근 갈수록 높아지고 있다. Q2B22 Tokyo 기조강연에서는 미국 보스턴컨설팅그룹(BCG)의 랑지오네 파트너가 양자컴퓨터가 실용화될 경우 창출될 경제효과에 대한 예측을 소개했다.

랑지오네 파트터는 양자컴퓨터가 실용화되면 신규 재료 개발과 신약, 금융시장의 리스크 예측 등이 크게 고속화되어 4,500억달러에서 8,500억달러 규모의 경제 효과를 거둘 것으로 전망했다.

양자컴퓨터가 가져다 주는 “희박하고 거대한 행렬에 관한 계산 능력”(랑지오네 파트너)을 활용할 수 있는 어플리케이션으로서는 ‘시뮬레이션’, ‘최적화’, ‘기계 학습’, ‘암호 해석’이 있으며, 100가지가 넘는 산업 분야에 수십억 달러 규모의 경제 효과를 초래할 것이라고 한다

양자컴퓨터의 활용에 특히 적극적인 것은 금융업계로, “이미 세계 톱 10의 금융기관중 8개 사가 양자컴퓨터에 관한 대응을 시작하고 있다”(랑지오네 파트너). 그 뒤를 잇는 것이 화학업계이다. 이러한 기업들이 빠르게 움직이는 것은 “양자컴퓨터가 초래하는 경제 효과의 90%는 상위 10%의 얼리어답터가 획득한다”(랑지오네 파트너)라는 견해가 있기 때문이다.

양자컴퓨터가 언제 실용화될지는 확실하지 않지만, 실용화된 시점에서 양자컴퓨터를 능숙하게 다룰 수 없다면 경쟁에서 크게 뒤처져 버릴 것이라는 위기감이 유저 기업들을 움직이고 있는 것이다.

-- 양자의 캐즘(Chasm, 정체)을 우려하는 목소리도 --
양자컴퓨터 활용에 대한 기대가 높아지는 한편, 양자컴퓨터의 미래에 대한 우려도 높아지고 있다. Q2B22 Tokyo에서 이점을 지적한 사람은 양자 어닐링의 제창자로 알려진 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 특임 교수이다.

Q2B에서 니시모리 특임교수가 소개한 것은 양자컴퓨터 알고리즘 연구로 저명한 미국 매사추세츠공대(MIT) 로이드 교수의 견해이다. 로이드 교수는 니시모리 특임교수가 올 6월에 주최한 모임에서 조만간 양자컴퓨터의 기술적 발전이 정체되어 산업계로부터의 기대나 투자가 감소하는 '양자 캐즘(Chasm)' 시기가 올 수 있다고 지적했다.

현재 양자컴퓨터를 대한 열광은 구글 등 양자컴퓨터를 개발하는 기업들이 오류 내성 양자컴퓨터를 2030년경에 실현할 방침을 제시한 것에 기인한다. 그러나 오류 내성 양자컴퓨터 개발은 어렵고, 산업계의 기대처럼 기술 발전이 진척되지 않을 가능성도 있다. 로이드 교수는 이러한 캐즘 시기에 기술개발이 활성화될 수 있는지 여부가 양자컴퓨터 발전의 열쇠를 쥐게 될 것이라고 설명했다.

로이드 교수와 니시모리 특임교수가 '양자 캐즘'을 뛰어넘는 열쇠로 기대하고 있는 것은 '양자 시뮬레이션'이다. 어떤 양자 현상을 양자 디바이스 상에서 재현해 양자 현상의 메커니즘을 밝히는 것으로, 신재료의 개발 등으로의 응용을 기대할 수 있다.

로이드 교수는 양자게이트 방식의 양자컴퓨터를 사용한 양자 시뮬레이션과 전용기기를 사용한 양자 시뮬레이션 발전에 기대하는 입장이다. 이에 반해 니시모리 특임 교수는 캐나다의 D웨이브시스템즈가 개발하는 양자 어닐링 방식의 하드웨어(양자 어닐링 머신)를 사용한 양자 시뮬레이션에도 기대를 걸고 있다. “4~5년 정도 이 분야에 주력하고 있으며, 최근 익사이팅한 결과가 나오고 있다”.(니시모리 특임교수)

-- 코히어런트(순양자적) 양자 어닐링에 기대 --
니시모리 특임교수가 익사이팅한 결과라고 말하는 것은 D웨이브의 양자 어닐링 머신을 사용해 현행 방식의 컴퓨터(고전 컴퓨터)로는 재현할 수 없는 양자 시뮬레이션을 실시한 실험이 최근 성공했음을 가리킨다.

지금까지의 양자 어닐링 머신의 과제는 디바이스가 열 등의 잡음(노이즈) 영향을 받기 때문에 '코히어런트(Coherent) 양자 어닐링'을 할 수 없다는 것이었다. 하지만 올 3월 발표된 연구에서 수 십 나노초까지의 짧은 시간이라면 노이즈의 영향을 받지 않는 코히어런트 양자 어닐링이 실현될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

또한 최근 D웨이브가 5,300 양자비트로 이루어진 3차원 스핀 글래스로 상전이(相轉移) 현상을 발생시키는 양자 시뮬레이션을 양자 어닐링 머신으로 실시, 코히어런트 양자 어닐링을 통해 시뮬레이션을 실행하는데 성공했다. “고전 컴퓨터로는 어떠한 방법으로도 시뮬레이션 할 수 없는 계산을 양자 어닐링 머신으로 실행한 첫 사례”(니시모리 특임 교수)라고 한다.

양자 어닐링 머신에 대해 고전 컴퓨터로는 불가능한 계산을 할 수 있을지가 의문시되는 상황이 이어지고 있었다. 이번 연구를 통해 수 십 나노초 만에 완료되는 양자 시뮬레이션이라면 고전 컴퓨터를 뛰어넘어설 수 있다는 것이 증명된 것이다.

니시모리 특임교수는 “양자 어닐링의 기초 연구는 급속하게 발전하고 있다. 사회적으로 의미있는 계산을 할 수 있는 시기가 다가오고 있다”라고 말하며 양자 어닐링 머신을 이용한 사회 과제 해결 등에 기대감을 나타냈다.

-- 양자의 캐즘을 어떻게 극복할 것인가, 3개의 방향성--
이번 Q2B22 Tokyo의 주제도 단적으로 말해 '어떻게 양자 캐즘을 극복할 것인가'이었다. 그 방향성은 크게 세 가지이다.

첫 번째는 양자컴퓨터의 하드웨어 개발을 향후에도 가속화함으로써 캐즘을 극복하는 방향성이다. 미국의 IBM 등 하드웨어 개발 기업들이 이러한 공격적인 로드맵을 제시했다.

두 번째는 큐비트의 수가 적고 양자 오류 정정도 할 수 없는 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터)의 계산 결과를 고전 컴퓨터의 계산을 통해 보충함으로써 어떤 의미 있는 계산 결과를 얻으려는 활동이다.

VQE(Variational Quantum Eigensolver) 등 NISQ용 알고리즘 개발 및 큐비트의 에러 발생을 억제하려고 하는 ‘양자 오류 억제’ 등이 그것으로, 양자 소프트웨어 개발 기업 등이 최근 추진하고 있다고 발표했다.

세 번째는 양자 캐즘이 찾아올 가능성이 있다는 것을 근거로 유저 기업 등이 지속적으로 양자컴퓨터에 투자하는 방안을 모색하는 방향성이다. Q2B22 Tokyo에서는 유저 기업의 연구자들이 다수 참여해 자사의 대응과 과제에 대해 이야기했다.

이번 특집에서는 다음 회 이후부터 벤더와 연구기관, 유저 기업들이 어떻게 양자 캐즘에 맞서려고 하고 있는지 그 구체적인 대응을 소개한다.

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