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Nikkei Computer_2019.11.14 특집 요약 (p6~12)

긴급 특집
구글 ‘양자 초월성’ 실증의 충격
성능 16억배, 꿈의 컴퓨터 철저 검증

미국 구글이 양자컴퓨터의 ‘양자 초월성’을 실증했다고 발표했다. 세계 최고의 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸리는 계산을 200초만에 풀어낸 것이다. 양자컴퓨터는 미완성이며 이번에 풀어낸 계산에도 실용성은 없다. 그런데도 말도 안 되는 계산 파워를 가지고 있다는 것을 제시한 것은 사실이다. 구글은 10년 이내에 양자컴퓨터를 완성시킬 계획을 세우고 있다. 미국, 유럽, 중국 그리고 일본에서 가속화하는 양자컴퓨터 개발과 기대되고 있는 용도에 관한 최신 동향을 긴급 검증을 하려고 한다.

미국 구글이 드디어 ‘양자 초월성’ 실증에 성공했다. 양자컴퓨터가 기존 방식의 컴퓨터로는 도달할 수 없는 능력을 가지고 있다는 것을 확인한 것이다.

‘0’과 ‘1’의 정보를 중첩한 상태를 유지할 수 있는 ‘양자 비트’를 54개 탑재하는 독자적인 개발의 양자 프로세서 ‘시카모어(Sycamore)’가 세계 최고의 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸리는 계산을 200초만에 풀었다고 2019년 10월 23일에 영국 ‘Nature’에 게재한 논문에서 발표했다. 성능은 실제로 약 16억배에 달한다.

“우리가 개발한 양자컴퓨터는 양자역학을 기반으로 움직이는 완전히 새로운 종류의 컴퓨터이다. 우리는 상상을 초월하는 계산 능력을 세계 최초로 실험을 통해 나타냈다”. 구글의 양자컴퓨터 개발의 책임자와 캘리포니아대학 샌타바버라 교의 교수를 겸임하고 있는 마르티니스 씨는 같은 날 샌타바버라 에 있는 구글의 양자컴퓨터 개발 거점에서 기자회견을 열어 이번 성과의 의미에 대해 그와 같이 해설했다.

구글은 2014년에 마르티니스 교수의 연구 팀을 통째로 스카우트 해 양자컴퓨터의 자사 개발을 추진해 왔다. 그로부터 5년만에 ‘컴퓨터 업계에 있어서 커다란 이정표’(마르티니스 교수)를 이뤄냈다.

구글이 실증한 양자 초월성이란 어떤 것일까? 이번에 구글은 시카모어를 사용해 ‘난수(亂數)를 생성하는 양자 회로’를 탑재해 실제로 난수(비트 예)를 생성시켰다. 그와 병행해 기존 방식의 컴퓨터로도 동일한 구조의 양자 회로를 시뮬레이션 해 동일한 난수를 생성시켰다.

양자비트의 수가 적으면 양자컴퓨터가 생산한 난수의 확률 분포는 기존 컴퓨터에 의한 시뮬레이션으로도 재현이 가능하다. 그러나 양자비트 수가 늘어나면 기존의 컴퓨터로는 재현이 어려워진다. 시카모어가 난수를 100만번 발생시키는데 걸린 시간은 200초(3분 20초)였으나, 이것을 세계 초고속 슈퍼컴퓨터로 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)가 운영하는 ‘서밋(Summit)’으로 시뮬레이션 하면 1만년이나 시간이 걸린다. 구글은 이 액 16억배의 성능이라는 성과를 가지고 양자컴퓨터가 현재의 컴퓨터를 ‘초월’했다고 간주했다.

-- 즉각 IBM이 정면으로 반론 --
구글의 논문은 미 항공우주국(NASA)을 통해 발표 전하기 전에 발설되어 2019년 9월에 영국 미디어 ‘Financial Times’가 그 내용을 보도했다. 그러나 구글의 주장에 반대하는 움직임이 보였다. 바로 양자컴퓨터에서 라이벌 관계인 미국 IBM이다. IBM은 10월 21일에 공개한 블로그에서 “구글은 아직 양자 초월성을 충족시키지 못했다”라고 반론했다. 서밋을 사용해 시카모어의 동작을 시뮬레이션 하는데 1만년이 걸린다는 구글의 주장에 대해, IBM은 그 기간이 ‘2일 반’이라고 예측해 “양자컴퓨터는 아직 기존의 컴퓨터로 재현할 수 있는 범위에 있다”라고 주장하고 있다.

양자컴퓨터의 연구자인 오사카대학의 후지이(藤井) 교수는 “IBM의 주장대로라고 해도, 슈퍼컴퓨터의 2일 반에 비해 200초인 양자컴퓨터는 압도적으로 빠르다. 앞으로 양자비트 수가 몇 개 늘어나게 되면 슈퍼컴퓨터의 디스크 메모리에 양자 상태를 쓰지 못하게 된다”라고 말한다.

-- 실용화에는 아직 장애물 --
그래도 주의해야 할 것은 양자 초월성이 달성되었다고 해서 뭔가 실용적인 계산이 가능한 것은 아니라는 점이다. 시카모어가 양자 초월성을 나타내기 위해 풀었던 것은 “도움이 안 되는’ 계산인 것이다.

유용한 양자 계산을 하는 것은 양자 비트의 에러 정정이 필수라고 되어 있다. 그것에는 100만개가 넘는 양자비트가 필요하며 시카모어의 654양자비트 가지고는 턱없이 부족하다.
시카모어를 비롯한 현재의 양자컴퓨터는 양자비트의 수가 적어 에러 정정이 불가능하다는 이유로 ‘NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum의 약자. 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터)’라고 불리고 있다. 한편, 에러 정정이 가능한 양자컴퓨터는 ‘만능(유니버설) 양자컴퓨터’라고 불린다.

만능 양자컴퓨터일 경우, 큰 정수를 단시간에 인수분해 하거나 방대한 데이터를 고속으로 검색할 수 있다는 것이 이론적으로 증명되고 있다. 그에 반해 에러 정정이 안 되는 NISQ가 유용한 계산을 기존의 컴퓨터보다 고속으로 풀 수 있다는 이론적인 설명은 지금 현재로서는 존재하지 않는다.

구글 자신도 그것을 인식하고 있으며 그 근거로 이번 양자 초월성의 실증을 ‘라이트 형제에 의한 1903년의 첫 유인 비행’에 비유하고 있다. 라이트 형제는 엔진을 실은 비행기가 하늘을 날았다는 점에서 위대한 업적을 이뤄냈지만, 비행시간은 아주 짧았으며 운송 수단으로서는 사용할 수 없었다. 그것과 동일하게 시카모어도 방대한 계산 능력을 보였으나 실용성까지 실증된 것은 아니다.

-- 향후 10년 정도에 ‘만능’ 형을 개발 --
비행기 성능은 라이트 형제가 유인비행에 성공하자 급격히 향상되어 철 유인 비행으로부터 겨우 11년 후인 1914년에 제1차 세계대전이 시작되자 비행기는 순찰 및 폭격 등으로 눈부신 ‘전쟁 성과’를 올려 유용성을 세상에 알렸다. 그와 같은 일이 양자컴퓨터에도 일어난다. 다시 말해 10년 이내에 양자컴퓨터가 실용화되어 유용성을 세상에 알리게 될 것이라고 구글은 주장하고 있는 것이다.

실제로 구글은 야심 찬 계획 2가지를 발표하고 있다. 구글은 Nature에 게재한 이번 논문에서 양자컴퓨터의 계산 능력은 향후 ‘Double-exponential rate(이중 지수관수적 속도)’로 향상된다는 견해를 제시하고 있다. 이 성장 속도에 따르면 양자컴퓨터의 성능을 결정하는 양자비트 수는 시카모어의 54개에서 10년 이내에 100만 양자비트까지 늘어난다고 한다.

마르티니스 교수는 기자회견에서 “현행의 양자 프로세서의 아키텍처만으로도 100~1,000양자비트까지 스케일 업 할 수 있는 가능성이 있다”라고 설명했다. 또한 “100만 양자비트를 목표로하기 위해서는 양자비트를 연결하는 와이어링(  

-- NISQ의 유용한 용도 모색 --
구글은 만능 양자컴퓨터를 목표로 하고 있으면서 동시에, NISQ의 용도를 모색하려는 프로젝트를 시작한다. 현재 세계에서 NISQ와 기존의 컴퓨터(고전 컴퓨터)를 조합함으로써 고전 컴퓨터만으로는 풀 수 없었던 실용적인 문제를 해결하는 ‘양자 고전 하이브리드 알고리즘’의 개발이 추진되고 있다. 구글은 2020년 안에 양자컴퓨터의 클라우드 서비스를 개시해 세계 연구자들에게 구글의 양자컴퓨터를 사용하게 함으로써 양자 고전 하이브리드 알고리즘이 실제로 성과를 올릴 수 있는 지를 실증한다는 계획이다.

양자 고전 하이브리드 알고리즘이 성과를 올릴 수 있는 분야로서, 구글은 ‘양자화학 시뮬레이션’ ‘양자기계학습’ ‘조합의 최적화’ 등을 꼽을 수 있다.

그 중에서도 특히 기대하고 있는 것이 양자화학 시뮬레이션이다. 양자컴퓨터를 사용해 다양한 화학 반응을 분자 레벨로 시뮬레이션 함으로써 화합물의 열화(劣化)를 막거나 보다 효율적으로 생성하는 방법을 찾아내는 것을 목표로 한다.

분자 내부의 물리현상은 양자역학에 지배되고 있으며 고전 컴퓨터로 시뮬레이션 하는 것은 상당한 시간이 걸린다. 그에 반해 NISQ를 사용하면 분자 내부의 상태를 비교적 고속으로 시뮬레이션 할 수 있을 가능성이 있다고 한다.

구글은 2016년 7월 당시, 자체 개발을 마친 5양자비트의 양자컴퓨터를 사용한 양자화학 시뮬레이션에 성공하고 있다.

-- 세계의 에너지 문제를 해결 --
구글에 따르면 100양자비트가 있을 경우 박테리아가 유기물을 분해해 암모니아를 합성하는 프로세스를 분자 레벨로 모델화해 시뮬레이션 할 수 있다고 한다. 만약 박테리아가 상온에서 암모니아를 합성하는 프로세스를 해명해 재현할 수 있다면, 인류에게 엄청난 혜택을 가져올 수 있다. 왜냐하면 현재, 공기를 고온고압 상태로 함으로써 질소와 수소로부터 암모니아를 화학 합성하는 ‘하버·보슈법(Haber-Bosch process)’을 실행하기 위해 세계 연료의 1~2%가 투입되고 있기 때문이다. 이 부분을 절약할 수 있는 가능성이 있다.

NISQ를 사용한 양자화학 시뮬레이션에 관해서는 일본 기업도 유용성을 모색하는 프로젝트를 시작하고 있다. 예를 들어 미쓰비시(三菱)케미칼은 IBM및 양자 소프트웨어 스타트업인 큐나시스(QunaSys)와 제휴해 리튬공기 배터리 및 유기EL 등의 개발에 도움이 되는 양자학 시뮬레이션을 NISQ로 실행하는 방법을 연구한다.

미쓰비시케미칼과 제휴한 큐나시스의 양(楊) CEO는 “수 년 안에 실현될 200양자비트의 NISQ가 있다면 지금까지 불가능했던 대규모 광화학반응의 시뮬레이션이 가능해진다. 우리가 그것을 위한 알고리즘을 개발했다”라고 말한다. 대규모 광화학반응의 시뮬레이션이 가능해지면 새로운 유기EL 재료 및 축광 재료의 개발이 가능해진다고 한다.

구글의 순다르 피차이 CEO는 양자 초월성의 발표에 관해 “이번 브레이크스루에 의해 효율적인 배터리 개발 및 적은 소비 에너지로 비료를 화학 합성하는 방법을 개발, 새로운 의약품의 개발 등 양자 컴퓨터의 실용화에 한 발 더 다가갈 수 있게 되었다”라고 설명하고 있다.

만약 10년 이내에 만능 양자컴퓨터가 완성되지 않더라도 100~1,000양자비트의 NISQ가 개발된다면 그것만으로 세계 산업이 완전히 달라질 가능성이 있다고 피차리 CEO는 보고 있다. 그렇기 때문에 양자컴퓨터에 대한 개발에 힘을 쏟고 있는 것이다.

 -- 끝 --