미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Business_2017. 12. 11 시사심층 (p10~11)

INSIDE STORY
IBM이 초월한 ‘양자의 한계’
양자컴퓨터의 강력한 기술이 실현

미국 IBM이 11월에 발표한 양자컴퓨터의 시작기(試作機)가 전세계에 충격을 주고 있다. 탁상공론으로만 여겨왔던 ‘양자 게이트 방식’이 실용화됨에 따라 컴퓨터에 관한 상식이 완전히 바뀌기 때문이다. 양자컴퓨터의 기술로 인해 가상통화는 진부화될 것이며 에너지 문제의 해결로도 이어질 전망이다. 양자컴퓨터를 둘러싼 각 국의 경쟁은 점점 치열해지고 있다.

“이제부터는 인간의 상상을 초월한 세계가 도래할 것이다. IT 상식이 완전히 바뀌게 될 것이다”. 양자컴퓨터에 정통한 도호쿠(東北) 대학의 오제키(大関) 교수는 흥분을 감추지 못하며 말했다. 이는 미국 IBM이 11월에 세계최초로 ’50 양자비트(Qubit, 큐비트)’를 탑재한 양자컴퓨터 시작기를 발표했기 때문이다.

IBM이 개발한 것은 1983년부터 제창해 온 ‘양자 게이트 방식’의 양자 컴퓨터이다. 대규모 계산이 가능하기 때문에 가장 유력시 되어왔으나, 장치의 개발이 어려워 2010년경까지는 탁상공론으로 여기는 전문가가 대부분이었다. 그러나 IBM의 발표에 따라 공론이 현실로 바뀌게 되었다. 열쇠는 ‘50’이라는 숫자에 있다.

-- 1,125조(兆)가지 경우의 수를 순식간에 계산 --
양자컴퓨터란 미크로 세계의 물리법칙인 ‘양자역학’을 사용해 계산하는 기계를 뜻한다. ‘0’과 ’1’이 동시에 존재하는 ‘양자비트’를 활용하여 50양자비트(큐비트)의 경우, 약 1,125조(2의 50승)가지 방법의 계산이 순식간에 완료된다. 양자비트를 늘림으로써 계산능력은 지수관수적으로 증가할 수 있다.

기존의 컴퓨터는 데이터를 ‘0’과 ‘1’로 바꿔 한 개씩 처리한다. 전문가 사이에서는 슈퍼컴퓨터가 아무리 진화한다고 해도 약 50큐비트에 해당하는 속도가 한계일 것이라고 예측되어 왔다. IBM의 시작기는 슈퍼컴퓨터의 이론상의 한계를 초월할 가능성이 크다.

양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터로는 실현하지 못한 계산능력을 가진 것을 ‘양자의 초월성’이라고 부르며, 애초에 2050년대까지는 실현이 어려울 것이라는 추측이 지배적이었다. 그러나 예상했던 시기가 단숨에 30년이나 앞당겨진 것이다.

양자컴퓨터에 이목이 집중된 계기는 2011년 캐나다의 벤처기업인 D-Wave Systems에 의해 상용화된 것이다. 도쿄공업대학의 니시모리(西森) 교수팀이 제창한 ‘양자 어닐링 방식’을 사용하여 1대에 10억엔 정도의 장치를 판매. 미국항공우주국(NASA) 및 덴소 등이 잇따라 도입했다.

독일 폭스바겐은 북경의 택시의 순회 루트를 최적화시켜 교통 체증을 완화시키기 위한 시도에 D-WAVE의 양자컴퓨터를 활용하고 있다. 순회하는 장소가 1곳 늘어날 때마다 루트의 조합은 지수관수적으로 증가해 17개곳을 방문하여 출발점으로 돌아올 경우의 후보는 10조(兆)가지 방식을 넘는다. 미국 구글은 이런 ‘조합의 최적화’ 문제에 대해서 기존 컴퓨터의 1억배 빠른 속도로 계산이 가능하다고 발표하고 있다.

그러나 D-WAVE의 양자 어닐링 방식에는 한계가 있다. 고속으로 처리하기 위해서는 조합의 최적화 문제에 한정되어 있어, 계산 능력을 높일 경우에 오답을 산출할 가능성이 있다. ‘특화형’ 양자컴퓨터로 불리는 이유는 이것 때문이다. NTT 등이 11월 20일에 발표한 ‘레이저 네트워크 방식’ 또한 동일한 특징을 가진 특화형이다.

특화형에 대해 IBM이 개발한 양자컴퓨터 방식은 ‘범용형’으로 불리고 있다. 대응하는 프로그램만 개발된다면 어떤 문제도 순식간에 풀어낼 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문이다. 범용형은 지금까지 탑재되고 있는 양자비트를 늘리는데 난항을 겪게 됨으로써 특화형에게 선두를 빼앗기고 말았다.

1999년에 세계최초로 양자비트를 사용한 도쿄대학의 나카무라(中村) 교수는 50의 벽을 넘을 수만 있다면 “이론상으로는 얼마든지 양자비트를 늘릴 수 있게 된다”라고 설명한다. 범용형 양자컴퓨터 방식은 가까운 미래에 확실하게 특화형의 능력을 따라잡게 될 것이다. IBM이 몰두하고 있는 양자게이트방식이 유력시 되고 있는 이유는 여기에 있다.

-- 가상통화도 가치를 잃게 된다 --
이런 배경에서 구글 등도 양자게이트 방식의 개발에 착수하고 있다. 미국 마이크로소프트는 범용형에서 사용할 수 있는 프로그래밍 언어의 개발에 착수, 소프트웨어의 관점에서 연구자를 포섭하기 시작했다. 대응 프로그램을 가장 먼저 개발할 수 있다면 경쟁에서 압도적으로 뛰어난 계산능력을 구사하여 비즈니스에서 선두를 차지할 수 있기 때문이다.

예를 들어 화학물질의 합성의 경우를 보면, 현재의 슈퍼컴퓨터로는 메탄가스와 같은 단순하고 가벼운 화학물질의 움직임만을 정확하게 시뮬레이션 할 수 있다. 범용형 양자컴퓨터가 탑재한 양자비트의 수를 계속 늘려간다면 철과 같은 무거운 물질이나 플라스틱과 같은 복잡한 물질을 계산할 수 있게 된다.

카본나노튜브 등 가볍고 강한 화합물을 끊임없이 합성할 수 있다면 위성궤도까지를 잇는 ‘우주 엘리베이터’의 실현 가능성도 증가한다. 이산화탄소와 물의 ‘중합반응’을 효율화시킬 수 있다면 석유를 채취하는 것보다 합성하는 쪽이 더 저렴해진다.

양자비트가 수십억에 도달하게 되면 인터넷통신에 사용되는 암호도 해독할 수 있다. 암호기술을 사용하는 비트코인 등의 가상통화는 가치를 잃게 되고 만다. 이에 따라 기업뿐 아니라 각국의 정부도 양자컴퓨터에 대한 연구에 거금을 투자하고 있다. 유럽연합(EU)는 2016년부터 10년간 10억유로(약 1,130억엔)의 연구자금을 범용형 양자컴퓨터와 관련기술에 투자. 일본의 문부과학성도 2018년도 예산의 개산 요구에서 범용형 양자컴퓨터의 개발 등에 32억엔을 요구했다.

한편, “화학반응의 시뮬레이션과 암호해독 외에, 산업적으로 이용할 적절한 용도를 찾지 못하고 있다”(도쿄 공대 니시모리 교수)는 것도 사실이다. 상상을 초월하는 계산 능력을 어떻게 다뤄야 할 지에 대해 전문가들조차 고민하고 있다. 그러나 머뭇거리고 있을 여유가 없다. IBM은 6개월만에 양자비트 수를 3배이상 늘렸다. 이대로 성장 스피드가 이어진다면 8년 후에는 모든 암호를 해독할 수 있는 양자컴퓨터가 등장하게 될 것이다.

양자컴퓨터의 고속화는 이제부터가 시작이다. 기술 개발에서 앞선 나라와 기업은 경쟁에서 쫓아갈 수 없을 정도의 우위를 차지하게 될 것으로 보인다.

 -- 끝 --