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Nikkei Computer_2022.4.28 특집 요약 (p22~39)

양자컴퓨터의 최신 동향
기대와 위기감이 높아지는 이유

양자컴퓨터에 대한 열기가 고조되고 있다. 해외에서는 아직 실용성이 없는 양자컴퓨터를 개발·판매하는 스타트업들이 잇달아 주식 상장을 시작. 일본을 포함해 전세계적으로 양자컴퓨터의 성능을 모색하는 검증이 추진되고 있다.

이런 열기의 배경에는 무엇이 있을까? 기업은 양자컴퓨터에 대해 어떻게 대처해야 할까？ 일본의 전략은 어떠해야 할까? 이러한 의문점들을 바탕으로 양자컴퓨터의 최신 동향을 취재했다.

Part 1. 미숙한 하드웨어에 자금 투입
양자에 대한 열광은 진짜일까?

현재 개발 중인 양자컴퓨터는 모두 실용 영역과는 거리가 멀다. 그럼에도 불구하고 미국에서는 스타트업 기업들의 주식 상장이 잇따르고 있으며, 기업들의 성능 검증도 활발하다. 그렇다면 이러한 열광의 배경에는 무엇이 있을까?

양자컴퓨터를 개발하는 스타트업 기업으로서는 처음으로 주식 상장을 완수한 곳은 이온 트랩 방식의 하드웨어를 개발하는 미국의 이온Q이다. 이온Q는 2021년 10월, 특별목적매수회사(SPAC)와의 통합을 통해 뉴욕증권거래소(NYSE)에 상장했는데, 4월 13일 시점의 주식시가총액은 22억 5,000만달러(약 2,820억엔)에 달한다.

지난 3월에는 초전도 방식의 하드웨어를 개발하는 미국의 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)이 SPAC와의 통합을 통해 나스닥 증권거래소에 상장했으며, 리게티의 4월 13일 시점의 주식 시가총액은 7억 3,000만달러(약 915억엔)이다.

양자어닐링 방식의 양자컴퓨터를 개발하는 캐나다의 D웨이브시스템도 올 2/4분기에 SPAC와의 통합을 통해 NYSE에 상장한다는 계획을 발표했다.

양자컴퓨터에 기대하고 자금을 투자하는 것은 투자자뿐만이 아니다. 일본을 포함한 전세계 제조업체나 금융업체 등이 양자컴퓨터의 용도를 모색하는 연구 개발을 시작하고 있다.

예를 들면 미국의 IBM이 2017년 12월부터 시작한 ‘IBM Q Network’는 IBM의 양자컴퓨터를 실제로 시용(試用)할 수 있는 구조로, 이미 전세계 100개 이상의 기업 및 연구기관 등이 IBM Q Network에 참가하고 있다.

2021년 7월에는 가와사키(川崎) 시의 ‘신가와사키(新川崎) 창조의 숲 가와사키 신산업 창조센터(KBIC)’에 IBM의 양자컴퓨터 ‘IBM Quantum System One’을 설치, 일본 내에서도 양자컴퓨터의 실제 기기를 사용한 검증을 시작했다. JSR과 소니그룹, DIC, 도요타자동차, 미즈호파이넨셜그룹, 미쓰이스미토모신탁은행, 미쓰비시케미칼, 미쓰비시UFJ파이넨셜 그룹 등이 도쿄대학 등과의 공동 연구 멤버에 이름이 올라와 있다.

현재의 양자컴퓨터는 기존 방식의 컴퓨터 성능에 미치지 못한다는 점에서 실용성이 없다. 구글은 2019년 10월, 양자컴퓨터가 기존 방식의 컴퓨터로는 도달할 수 없는 ‘양자 초월성’을 실증했다고 발표했다. 그러나 이것은 “양자컴퓨터에 매우 유리한 계산을 기존 방식의 컴퓨터에 비해 압도적인 속도로 풀 수 있는 것을 보여준 것”(오사카대학의 후지이(藤井) 교수)으로, 유용한 용도를 제시한 것은 아니었다.

양자컴퓨터를 실용화하기 위해서는 실용적인 용도를 기존 방식의 컴퓨터로 실행하는 최선의 알고리즘보다 처리 성능에서 크게 뛰어난 ‘양자 어드밴티지(우월성)’를 달성할 필요가 있다. 이를 위해서는 0과 1을 ‘중첩’해 취급하는 양자비트의 에러(오류)를 정정하는 양자 오류 정정 기술을 실현해 양자 정보가 사라지지 않는 논리 양자비트를 만들어 낼 필요가 있다. 현시점에서는 양자 오류 정정 기술은 실현되지 않았다.

-- 실용화 시기 앞당겨질 것 --
최근 투자자나 사업체들이 양자컴퓨터에 대한 투자를 가속화하고 있는 것은 양자 우월성을 가까운 미래에 실현한다는 야심 찬 로드맵을 양자컴퓨터 개발업체들이 잇따라 제시하고 있기 때문이다.

구글은 2021년 5월, 2029년까지 100만 물리 양자비트를 실현한다는 로드맵을 제시했다. 구글이나 IBM이 채택한 초전도 방식의 양자비트는 100만 개의 물리 양자비트가 있으면 논리 양자비트를 1,000개 구축해 유용한 알고리즘을 실행할 수 있을 것으로 여겨지고 있다.

이온Q는 2020년 12월, 2025년까지 오류 정정이 실시된 ‘알고리즘 양자비트’ 64개를 실현해 폭넓은 분야에서 양자 우월성을 달성한다는 로드맵을 발표했다. 이온Q가 채택하는 이온트랩 방식은 초전도 방식에 비해 양자비트의 에러율이 낮기 때문에, 초전도 방식보다 적은 수의 물리 양자비트로 양자 오류 정정을 실현할 수 있다고 주장하고 있다.

기존에는 양자컴퓨터의 실용화 시기가 2050년 전후가 될 것으로 전망되었다. 그러나 컨설팅업체인 미국 보스턴컨설팅그룹(BCG)은 2021년 8월, 구글과 이온Q 등의 발표 이후 ‘앞으로 10년 이내에 중요한 비즈니스와 사회 과제를 해결하는 데 충분한 성능의 양자컴퓨터가 개발될 것이라는 확실성이 높아지고 있다’라고 전망했다.

BCG는 2019년, 양자컴퓨터의 실용화로 2050년까지 연간 4,500억 달러에서 8,500억달러의 경제적 효과가 창출될 것이라는 예측을 발표. 그 달성 시기 예측을 앞당긴 것이다.

-- 실용화 노력은 ‘5 플러스 1’--
방대한 가치를 창출할 가능성이 있는 양자컴퓨터를 실현하기 위해 전세계 기업 및 조직들이 다양한 움직임을 가속화하고 있다. 그 내용은 ‘5 플러스 1로 분류할 수 있다.

첫 번째는 양자컴퓨터의 규모를 확대하는 움직임이다. 양자비트의 수를 늘릴 뿐 아니라, 양자비트의 에러율을 낮추거나, 양자비트가 0과 1을 중첩해 유지할 수 있는 '코히어런스(Coherence) 시간'을 길게 만드는 작업 등이 이에 해당한다.

두 번째는 양자 오류 정정 기술 개발이다. 양자컴퓨터를 구성하는 소자인 양자비트는 노이즈나 열 등 외부 환경의 영향으로 에러가 발생하기 쉽다. 양자 오류 정정 기술은 양자비트의 오류를 수시로 검출·추정해 정밀한 오류 정정을 도모한다.

세 번째는 양자컴퓨터를 구성하기 위해 필요한 양자비트 외의 하드웨어 개발이다. 초전도 방식의 경우에는 초전도 회로인 양자비트에 마이크로파를 조사해 중첩 등의 상태를 제어한다. 이러한 제어 장치나, 초전도 회로를 절대 영도에 가까운 환경에서 가동시키는 희석 냉동기, 양자 오류 정정에 필요한 계산을 실행하는 외부 컴퓨터 등이 양자비트 외에 필요하다.

네 번째는 양자비트의 오류를 억제(Mitigate)하는 양자 오류 억제 기술 개발이다. 현재의 양자컴퓨터는 양자비트 수가 적을 뿐만 아니라, 에러율도 높기 때문에 양자 오류 정정을 실행할 수 없다. 에러율이 높은 상황에서도 외부 컴퓨터를 사용해 통계 처리 등을 함으로써 양자비트로부터 의미 있는 정보를 추출하려는 것이 양자 오류 억제 기술이다.

-- NISQ용 알고리즘 잇따라 등장 --
다섯 번째는 ‘NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터)’라고 불리는 양자 오류를 정정할 수 없는 양자컴퓨터라도 무엇인가 유용한 처리를 할 수 있는 알고리즘을 개발하는 방식이다.

오류 정정을 할 수 있는 완전한 양자컴퓨터의 경우 인수분해나 정보 검색 등을 고속으로 실행할 수 있는 알고리즘이 고안되고 있다. 그러나 이러한 양자컴퓨터용 알고리즘은 NISQ에서는 이용할 수 없기 때문에 NISQ는 실용성이 없는 존재로 여겨져 왔다. 이에 반해, NISQ에서도 실행할 수 있는 유용한 알고리즘을 찾아내려는 움직임이 전세계적으로 추진되고 있다.

그 대표적인 것이 양자 화학 시뮬레이션을 NISQ로 실행하기 위한 알고리즘인 VQE(Variational Quantum Eigensolver)이다. 양자컴퓨터를 사용해 다양한 화학 반응을 분자 레벨에서 시뮬레이션 함으로써 화합물의 열화를 막거나, 보다 효율적으로 생성하는 방법 등을 찾아낼 수 있다.

이 밖에도 금융 분야의 리스크 분석에 반드시 필요한 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation)을 양자컴퓨터로 실행하는 ‘양자진폭추정법(QAE, Quantum Amplitude Estimation)’이나, 교사가 있는 기계학습을 양자컴퓨터로 실행하는 ‘양자회로학습(QCL, Quantum Circuit Learning)’과 같은 NISQ 전용 알고리즘이 산업계에서 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

마지막 플러스 1은 양자 어닐링 방식의 양자컴퓨터를 개발하거나 활용하는 움직임이다. 양자 어닐링 방식의 양자컴퓨터란 양자 어닐링이라고 하는 양자 역학의 물리 현상을 이용해 편성 최적화 문제를 푸는 양자컴퓨터이다. 양자 게이트 방식의 양자컴퓨터와는 동작 원리가 다르기 때문에 다르게 분류했다.

첫 번째부터 세 번째까지는 양자컴퓨터를 주로 개발하는 기업이나 연구기관들의 활동이다. 한편, 네 번째와 다섯 번째의 경우, 양자컴퓨터를 이용하는 측의 기업들도 연구개발에 참가하고 있다.

현행 방식의 컴퓨터에는 다양한 애플리케이션이 존재하기 때문에 기업이 알고리즘이나 프로그램을 스스로 개발하지 않아도 상용 애플리케이션 등을 이용하는 것만으로 컴퓨터를 활용할 수 있다.

그러나 현재 양자컴퓨터는 기업이 쉽게 활용할 수 있는 응용 프로그램이 아직 없다. 양자컴퓨터를 조속하게 활용하고 싶다면 기업이 스스로 양자컴퓨터 시스템을 배워 애플리케이션을 만들어 낼 필요가 있다. 그렇기 때문에 기업들이 양자 오류 억제 기술 개발과 NISQ용 양자 알고리즘 개발 등에도 참여하고 있는 것이다.

-- 양자 소프트웨어 기업들도 속속 탄생 --
현재 전세계적으로 양자컴퓨터용 소프트웨어 개발을 지원하거나, 양자컴퓨터용 패키지 소프트웨어 제공을 목표로 하는 양자 소프트웨어 기업들이 탄생하고 있다.

구글의 모회사인 알파벳은 3월 22일, 양자 기술과 AI(인공지능)를 활용한 기업용 SaaS(Software-as-a-Sevice)를 제공하는 사업체 샌드박스AQ를 설립했다. 최신 양자 소프트웨어 기업 중 한 곳이다.

샌드박스AQ가 타깃으로 하는 것은 통신이나 금융, 헬스케어 분야의 사업체와 정부기관 등으로, 일본에서는 소프트뱅크가 샌드박스AQ와 공동으로 양자컴퓨터로도 해독이 불가능한 ‘양자내성암호’를 사용한 VPN(가상사설망)을 개발한다고 발표했다.

양자 소프트웨어 기업으로는 미국의 QC웨어와 자파타컴퓨팅(Zapata Computing), 캐나다의 1QB 인포메이션 테크놀로지(1QBit) 등이 유명하다. 일본의 양자 소프트웨어 기업으로는 QunaSys가 3월 28일, 총액 12억 4,000만엔의 자금 조달을 발표하는 등, 활발한 움직임을 보이고 있다.

실제로 일본의 기업들은 양자컴퓨터 개발 기업이나 양자 소프트웨어 기업과 제휴해 어떤 연구 개발을 추진하고 있을까? 다음 파트에서는 그 상세한 내용을 소개한다.

Part 2. 일본에서 추진되는 양자 검증
금융 및 제조에 뜨거운 시선

일본에서도 금융이나 화학 분야에서 양자컴퓨터의 실용화를 내다본 응용 연구가 추진되고 있다. 각 기업들이 주력하고 있는 것은 계산에 필요한 양자비트를 최소화하는 등의 ‘사용방법에 대한 연구’. NISQ의 계산 결과에서 통계적으로 노이즈를 없애는 ‘양자 오류 억제’ 등을 추진하고 있다.

Part 3. 국산 양자컴퓨터 가동 추진
양자 인재 육성 가속화

양자컴퓨터의 실용화에 대비하려면 양자컴퓨터를 잘 다룰 수 있는 인재가 산업계에 필요하다. 일본에서는 2023년에 국산 양자컴퓨터를 시험할 수 있는 테스트베드가 가동될 예정이다. 환경이 정비됨으로써 산〮학을 통한 양자 인재의 육성이 가속화될 전망이다.

Part 4. 일본 제품에도 경쟁력 있어
독창적 하드웨어 잇따라 등장

양자컴퓨터 개발은 현재 미국 기업들이 앞서 있지만, 아직 경쟁은 끝나지 않았다. 실용화를 위해 넘어야 할 장벽도 많이 남아 있다. 일본의 연구기관에서 개발이 추진되고 있는 하드웨어 분야에서도 일본이 주도권을 잡을 가능성은 아직 남아있다.

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