과학기술/기타

Nikkei Science_2018.4 특집 요약 (p32-41)

양자컴퓨터, 클라우드 시대의 개막
미국의 개발 최전선, 구글·IBM·IonQ,

조만간 50~100 양자 비트를 집적한 칩이 가동되어 인터넷을 통해 그것을 가동시켜 무엇인가의 가능성을 탐구하는 시대가 시작된다. 선두를 달리는 미국의 구글, IBM, 이온큐(IonQ)의 연구 현장에서 보고 한다.

양자컴퓨터의 개발이 변곡점을 맞이하고 있다. 선두로 달리는 구글과 IBM은 각각 올해 안에 50양자 비트급의 칩을 작동시킬 계획이다. 수 년 이내에 50~100 양자 비트의 머신이 등장하게 될 것이다. 그것은 지금의 컴퓨터가 결코 할 수 없는 고속 계산을 해 내는 첫 계산기가 될 것이 분명하다.

그러나 실제 사용하는데 있어 도움이 되는 계산이 가능할 지 여부는 별개의 문제이다. 이 비트 수로는 양자 컴퓨터의 최대 약점인 에러를 수정할 수 없다. 따라서 계산이 진행됨에 따라 실패할 확률이 높아지기 때문에 실행 가능한 계산 규모는 한정되어 있다. 예를 들어 양자컴퓨터의 강점이라고 할 수 있는 암호 해독은 불가능하다.

에러를 정정하면서 대규모의 계산을 실행하는 풀 스펙의 양자컴퓨터를 만들기 위해서는 1만~1억개의 양자 비트를 집적할 필요가 있다. 그것은 화성의 유인 탐사와 닮은꼴의 과학의 프런티어로서, 실현까지는 20년 이상 걸릴 것으로 보인다.

최근 몇 년 동안은 50~100 양자 비트 컴퓨터의 사용방법을 탐색하는 연구가 진행될 것이다. 양자 화학계산 및 기계학습, 물리 계열의 시뮬레이션 등의 분야에 기대가 모아지고 있다.

연구의 풍경도 바뀔 것으로 보인다. 초전도 양자 컴퓨터를 개발하는 구글과 이온을 사용한 양자컴퓨터를 개발하고 있는 벤처기업인 이온큐(미국 메릴랜드 주)는 올해 안에 각각의 자신들의 머신을 클라우드8로 공개할 계획이다. 클라우드로 앞서가고 있는 IBM은 조만간 20 양자 비트로 확장한 유료 서비스를 개시한다.

양자 앱의 새로운 아이디어가 떠올랐을 때는 PC에서 프로그래밍하여 여기 저기의 클라우드 양자컴퓨터에 미션을 던져준다. 그 결과를 통해 프로그램을 최적화시키거나 하드웨어의 개량을 제안하는 것과 같은, 그런 시대가 시작되고 있다.

물리학자 Richard Feynman은 1981년 보스턴에서 열린 국제회의에서 “자연은 고전역학이 아닌, 양자역학으로 움직이고 있다. 자연의 움직임을 계산하려면 양자역학적으로 접근해야 할 것이다”라고 말하며 양자컴퓨터의 가능성을 예견했다. 37년이 지난 지금, 그것이 현실화 되고 있다. 앞으로는 하드웨어로부터 미들웨어, 화학계산 및 AI(인공지능) 등의 어플리케이션까지, 모든 레이어의 연구가 가속화될 것이다. 개발의 선두주자들이 무엇을 목표로 하고 있는지에 대해 미국에서 현장을 취재했다.

⦗Key concepts〕
어디서나 양자컴퓨터
▶ 양자컴퓨터는 수년 이내에 50~100 양자 비트 규모에 도달하여 기존의 컴퓨터로는 할 수 없던 계산을 실행하게 될 것이다. 다만, 계산의 규모에는 제한이 있어 실제 사용에 도움이 되는 계산으로서 기존의 컴퓨터를 뛰어넘을 수 있을 지는 아직 알 수가 없다.
▶ IBM에 이어 구글과 벤처기업인 이온큐가 클라우드로 양자컴퓨터를 공개함으로써 각기 다른 2가지 방식을 비교할 수 있게 될 것이다.

■ 구글
양자 비트 에러의 벽을 부순다

미국 캘리포니아 대학 산타바바라교(UCSB)의 남서쪽으로 약 4km인 곳에 구글의 최신 연구소가 있다. 작년 말에 방문해보니 양자컴퓨터를 넣는 극저온 냉각장치(클라이오스타트)가 4대 나란히 놓여 있고 여기저기에 종이 박스가 쌓여있었다. “연구의 중심이 대학에서 여기로 옮겨왔다. 조만간 5대째가 들어 올 예정이다”라고 UCSB 교수인 Martinis 씨는 말했다.

Martinis 씨는 2014년 4월에 그때까지의 한계를 깨는 고정밀도의 양자 비트를 개발하여 에러 정정이 실행 가능한 레벨의 5비트 양자컴퓨터를 가동시키는 것에 성공했다. 그때까지 2~3양자 비트의 실험을 실행되어 왔으나, 집적하여 계산기를 만드는 것은 아직 멀었다는 인식이 지배적이었다. 그러나 최대의 문제점이었던 에러 정정이 가능한 정밀도가 실현됨으로써 업계의 분위기는 완전히 달라졌다.

산업계의 움직임은 빨랐다. 논문 발표로부터 4개월 뒤, 구글이 Martinis 씨 그룹을 통째로 고용하여 양자 AI팀을 꾸렸다. IBM은 이전부터 시도해 왔던 초전도 양자 비트의 집적화에 주력함으로써 클라우드를 개시했다. 인텔과 마이크로소프트는 네덜란드의 델프트 공과대학과 손을 잡았으며, 인텔은 초전도와 반도체 양자 비트를, 마이크로소프트는 마요나라 입자를 사용한 양자컴퓨터 개발에 착수했다.

IBM 연구원 출신이 설립한 벤처기업인 미국 리게티컴퓨팅은 약 6,400달러(약70억엔)의 자금을 조달했다. 메릴랜드대학 등의 연구자는 이온을 사용한 양자컴퓨터의 스핀오프 벤처기업인 이온큐를 설립했다.

미국, EU, 네덜란드, 영국, 스웨덴, 호주는 각각의 연구 프로젝트를 확대해 나갔다. 중국은 양자컴퓨터를 중점 분야로 선정하여 안휘(安徽) 성 합비(合肥) 시에 새로운 연구소를 건설하기 시작했다. 2020년을 목표로 가동하여 최종적으로는 약 2,000명~3,000명의 연구자를 보유한 세계 최대의 연구소가 될 전망이다. 양자컴퓨터 연구는 세계적으로 붐이 일어나게 되었다.

-- 실현되지 않는 컴퓨터 --
-- 슈퍼 컴퓨터를 뛰어넘는 계산 실력 --

■ IBM
양자 오픈화 전략

뉴욕 외각에 있는 IBM의 왓슨 연구소. ‘옆으로 길게 뻗은 마천루’로 불리는 좁고 긴 건물의 한 켠에 당사의 양자컴퓨터 센터가 있다. 초전도 비트를 사용한 양자컴퓨터를 집어넣은 극저온 냉각장치가 반듯하게 나열되어 있고 칩을 절대영도에 가깝게 냉각시키기 위한 냉동기가 밤낮으로 규칙적인 소리를 내고 있다.

“IBM Q Experience (클라우드 컴퓨터의 명칭)를 온라인에서 제공할 수 있었던 것은 우리에게 있어서 지금껏 가장 흥분되는 일이었다”라고 하드웨어 개발을 맡았던 초(Jerry Chow) 씨는 말한다. “산업계에서 아카데미까지 사용자는 크게 확대되었다”.

IBM은 2016년 5월, 세계 최초로 양자컴퓨터의 클라우드를 개시했다. 디바이스는 5양자 비트. 이용자는 IBM의 전용 사이트에 접속하여 양자계산 프로그램을 입력한다. 그러면 IBM의 컴퓨터가 연산의 게이트 조작을 마이크로파 펄스의 시퀀스로 변환하여 극저온 냉각장치 속의 양자컴퓨터 칩에 조사(照射)한다.

극저온 냉각장치에는 이번 호의 표지에 게재한 샹들리에와 같은 장치가 들어 있다. 칩은 중앙으로 내려진 두루마리 모양의 용기 안에 담겨있어, 무수히 늘어져 있는 금속선은 칩에 마이크로파 펄스의 신호 등을 보내주는 배선이다.

마이크로파의 조사에 의해 연산의 게이트 조작을 진행, 마지막에 각 비트의 정보를 읽어 내어 계산을 종료한다. 이것을 수천 번 반복하여 결과의 통계치를 메일로 알려준다. 이것은 입력 후, 단 수 분만에 이루어졌다.

양자컴퓨터의 개발은 지극히 넘어야 할 장애물이 많아, 안정된 계산이 가능한 실제 기기를 보유한 연구기관은 전세계에서 손에 꼽을 정도 밖에 없다. IBM이 클라우드에서 실제 기기를 공개함으로써 이론 연구자가 인터넷을 통해 양자컴퓨터를 작동시켜 연구에 사용할 수 있게 되었다.

IBM은 이듬해인 2017년, 클라우드에 16양자 비트 머신을 추가하여 지금까지 중에서 최대 규모의 양자컴퓨터를 가동시킬 수 있었다. 클라우드의 이용자는 2017년 말까지 6만명에 달하며, 35개 이상의 논문이 씌어졌다.

16비트 머신의 에러가 발생할 비율은 가장 좋은 비트로 2%이다. 규모가 다르기 때문에 직접적으로 비교할 수는 없지만, 구글의 9비트 머신보다 정밀도가 낮다. 실제 프로그램을 실행시켜 보면 “원래 나와야 할 답변이 안 나오는 경우도 자주 있다”라고 양자컴퓨터의 이론 연구자인 교토대학 특정조교수인 후지이(藤井) 씨는 말한다. 16양자 비트로 가능한 양자 계산은 노트북 컴퓨터로도 쉽게 재현할 수 있다. IBM의 목적은 많은 유저가 사용함으로써 계산의 성공률에 영향을 주는 요소를 명확하게 밝혀 하드웨어의 개량 및 소프트웨어, 앱의 개발에 활용하는 것이다. 구글이 양자 비트의 성능 향상과 계산 능력의 실증을 최우선으로 추진하고 있는 것에 반해, IBM은 양자컴퓨터를 신속하게 오픈 함으로써 연구 커뮤니티를 확대시켜 모든 레이어의 연구를 가속화 시키려는 것으로 보인다.

IBM은 작년 12월, 지금까지의 무료 클라우드와 함께, 유료인 상업용 클라우드 서비스를 개시한다고 발표했다. 미국 국립 아르곤연구소와 영국 옥스퍼드대학, 호주 메르본대학, 일본 케이오대학의 총 4군데가 허브가 되어, 클라이언트는 허브를 매개체로 IBM의 양자컴퓨터에 접속한다. 현재는 20양자 비트이지만, 현재 검증 중인 50양자 비트 머신이 “1년 이내에 가동될 전망이다”라고 IBM Q전략 &에코시스템 담당의 Bob Sutor 씨는 말한다.

허브가 된 케이오대학의 이공학 부장인 이토(伊藤) 씨는 반도체를 사용한 양자 컴퓨터를 오랫동안 연구해 왔으나, “하드웨어의 개발은 산업계로 이동하는 단계이다. 앞으로는 양자컴퓨터를 사용하기 위한 소프트웨어의 연구가 중요해진다”라고 하며 IBM과의 제휴에 나섰다.

■ 이온큐(IonQ)
공중에 떠 있는 계산기

양자컴퓨터 개발에서는 초전도 양자 비트와 같은 인공적인 소자뿐만 아니라, 자연에 존재하는 양자계 소자를 이용하려는 시도도 있다. 그 대표적인 것이 공중에 떠있는 이온을 이용한 시스템이다.

미국 메릴랜드대학 근처에는 입구에 오렌지색의 ‘Q’ 로고를 내건 작은 건물이 자리하고 있다. 이온을 이용한 양자컴퓨터의 상용화를 목표로 하는 스타트업기업, 이온큐의 건물이다. 이온큐는 이 분야를 개척한 장본인 중 한 사람인 메릴랜드대학 먼로 교수와 듀크대학 김 중상(Jungsang kim) 교수가 2016년에 공동으로 설립했다.

“우리들의 하드웨어는 조금 색다르다”라고 먼로 교수는 말한다. 양자비트로써 이용되고 있는 것은 이터비움 양이온이다. 2개의 에너지 상태를 파악해 ‘0’과 ‘1’로 표현한다.전극을 이용해 전장(電場)을 형성, 그 힘으로 이온을 트랩(포착)해 진공에 띄운 후, 일직선으로 배열한다. 이것이 양자컴퓨터의 칩에 해당하는 것으로, 양자비트가 되는 이온에 레이저광을 조사(照射)하여 연산하는 방식이다. 현재 30~50 양자 비트의 실험을 추진 중으로, 100 양자 비트까지 확장이 가능하다고 한다.

이온 트랩 스위칭은 초전도보다 세 자리 수 정도 늦지만, 고체 소자에는 없는 장점도 있다. 그 중 하나가 모든 양자 비트가 모두 동일하다는 것이다. 인공적으로 만든 소자에는 어쩔 수 없이 차이가 발생한다. 하지만 트랩 한 이온은 1초의 표준을 결정하는 원자 시계에도 이용되고 있어 “몇 만 양자비트가 되어도 동일성은 완벽하게 보증된다”라고 먼로 교수는 말한다.

또 다른 하나는 모든 양자 비트가 서로 결합되어 있는 ‘완전결합체’라는 점이다. 배열된 이온 중 어느 2개라도 레이저를 사용해 게이트 조작이 가능하기 때문에 어떤 양자 알고리즘이라도 무리 없이 적용할 수 있다. 초전도 비트의 경우, 직접 연결되어 있는 것은 가까이에 있는 비트뿐이기 때문에 떨어져 있는 것은 다른 비트를 통해 게이트를 조작해야 할 필요가 있어, 그 만큼 에러가 발생할 비율이 높아진다.

이온트랩은 세계 최초로 만들어진 양자컴퓨터이다. 1994년에 오스트리아의 인스브루크대학의 졸러 연구팀이 이론을 제창, 다음 해에 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 와인랜드 연구그룹이 2비트의 연산을 실행했다. 먼로 교수는 당시 와인랜드 연구그룹에서 실험에 참여했다.

이온트랩 방식은 대규모 양자컴퓨터의 유력 후보로 주목 받아왔다. 하지만 공중에 떠있는 이온을 레이저로 제어한다는 것은 IT업계에서 볼 때는 확실히 낯설다. IT대기업들은 초전도 등의 고체 소자에 주력하고 있고, 이온트랩 연구는 주로 대학이나 연구기관에서 이루어지고 있다. NIST와 인스브루크대학, 영국의 옥스퍼드대학 그리고 메릴랜드대학의 먼로 교수 팀이 유력한 연구그룹이다.

이온큐는 올해 안에 이온트랩 방식의 클라우드를 시작할 예정이다. 최초의 클라우드는 그 규모가 작을 것으로 예상되지만, “많은 사람들에게 이용되어 그들이 자신들의 문제 해결을 위해 이 양자컴퓨터를 통해 방법을 개발하길 바란다”라고 공동 설립자인  김 교수는 말한다.

-- 100 양자 비트로 무엇을 할 수 있을 것인가? --
양자컴퓨터의 집적화는 향후 어떤 방식으로 추진되어 나갈 것인가? 시스템이 커질수록 양자적 중첩 상태를 유지하는 것은 점점 어려워진다. 많은 연구자들은 50~100양자 비트의 양자컴퓨터가 실현되는 것은 틀림없다고 보고 있지만 그 이후는 예측하기 어려워한다. 연구의 초점은 50~100 양자 비트로 무엇이 가능할 것인가라는 주제로 전환되고 있다.

기계학습 및 최적화 등의 분야에서도 다양한 양자 알고리즘이 제안되고 있고, 약 60종류가 전용 사이트에 집적되어 있다. 50~100 양자 비트로 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 실용적 어플리케이션이 개발될 가능성은 높지 않지만, 그것을 개발하는 길은 앞으로 열리게 될 것으로 많은 연구자들은 생각하고 있다.

양자컴퓨터는 처음 제창되었을 당시 ‘유령 같은 컴퓨터’라고 불렸다. 중첩의 원리를 이용해 계산한다는 아이디어는 현실적으로 황당무계하다고 생각되었다. 지금에 와서야 양자컴퓨터는 실제로 프로그래밍해 결과를 얻을 수 있는 실체로 승격되었다. 아직 기술 개발은 초기 단계이지만, 그렇기 때문에 ‘매우 흥분된다’라고 연구자들은 입을 모아 이야기한다. 양자컴퓨터는 고전 컴퓨터를 뛰어넘는 실용 컴퓨터가 될 수 있을 것인가? 그 대답은 앞으로 10년 뒤에 보이기 시작할 것이다.

 -- 끝 --