- 기존의 수퍼 컴퓨터보다 우월한 정보처리속도로 문제 해결 -

- 금융, 의료, 제약, 교통, 물류 및 공급망 분야에 혁신 가져올 것으로 기대 -

 

 

 

□ 개요

 

  ㅇ 양자 컴퓨터란

    - 양자 컴퓨터란 양자역학의 주요 원리, 즉 중첩(superstition) 현상과 얽힘(entanglement) 현상 등을 기반으로 구현 및 작동하는 컴퓨터로 기존의 컴퓨터와 전혀 다른 새로운 개념의 컴퓨터임.

    - 기존 컴퓨터가 전류의 흐름과 차단을 통해 2진법(0과 1을 사용)으로 명령을 해석 수행하며, 기본 단위로 ‘비트(bit)’를 사용하는데 반해 양자 컴퓨터는 2진법에서 벗어나 확률적으로 존재하는 양자의 성질을 이용한 알고리즘을 기반으로 한 기본 단위로 ‘큐비트(Qbit)’를 사용함.

    - 여기에서 큐비트는 기존 컴퓨터에서 구현 불가능한 상태인 ‘0’이면서 동시에 ‘1’도 되는 중첩 현상 및 양자 상태에서 어떤 한 계의 상태가 측정을 통해 결정됨에 따라 그 계와 얽혀있는 다른 계의 상태 또한 즉각적으로 결정된다는 얽힘 현상을 기반으로 작동함.

 

기존 컴퓨터의 비트와 양자 컴퓨터의 큐비트의 이해

자료: Q-edu-lab

 

자료: Dhyeyaias

 

    - 상기 그림에서 알 수 있는 바와 같이 기존 컴퓨터는 정해진 입력 값에 대응하는 하나의 결과만 생성되는데 반해 양자 컴퓨터는 중첩 및 얽힘 현상의 양자 특성을 이용하기 때문에 구성하고 있는 큐비트의 수가 적어도 많은 경우의 수를 동시 다발적으로 표현되는 즉시 여러 결과가 동시에 생성된다는 특징이 있음.

    - 따라서 양자 컴퓨터는 큐비트를 통해 다양한 값을 동시에 표현하고 처리할 수 있기 때문에 큐비트의 수가 증가할수록 동시에 처리할 수 있는 작업의 숫자가 지수 함수적(2ⁿ)으로 증가하며, 이를 통해 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 문제 해결, 연산이 가능함.

    - 양자 컴퓨터는 소인수분해, 대량 데이터 탐색, 최적경로탐색 등 복잡한 계산과 빅데이터 처리에 강점이 있으므로 금융 분야, 의료 분야, 제약 분야, 교통 분야, 물류 및 공급망 분야 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됨.

 

  ㅇ 양자 컴퓨터 시장동향

    - 양자 컴퓨터 시장은 최근 2017년까지만해도 기술적 한계 및 동작의 안정성에 대한 의문으로 시장 규모가 크지 않았음.

    - 그러나 2018년 초 구글, IBM, 인텔 등이 각각 수십 큐비트의 양자 프로세서를 공개하면서 양자 컴퓨터 구현에 대한 긍정적 기대감을 형성했음. 이후 2019년 구글이 양자 프로세서 칩 ‘시카모어’를 공개하며, 53개의 큐비트를 이용해 현존하는 최고 성능의 수퍼 컴퓨터를 압도하는 연산속도를 가능케 하는 이른바 ‘양자우위’를 달성했다고 발표함.

 

구글이 달성한 53큐비트의 양자 프로세서 ‘시카모어’

자료: NATURE 2019

 

    - 양자 기술에 관한 시장 조사 분석업체인 Inside Quantum Technology의 2019년 8월 보고서에 의하면 양자 컴퓨터 시장 규모는2025년 약 7억8000만 달러에서 2029년까지 약 26억 달러 규모로 성장할 것으로 전망함.

 

양자 컴퓨터 시장 규모

자료: Inside Quantum Technology 2019

  

    - 또한 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이 클라우드 서비스, 소프트웨어, 하드웨어의 모든 분야에서 양자 컴퓨터의 활용도가 증가할 것으로 기대됨.

     

□ 양자 컴퓨터 기술 동향 및 분야별 활용 가능성

 

  ㅇ 양자 컴퓨터의 기술 동향

    - 기존 컴퓨터와 비교해 양자 컴퓨터는 다음과 같은 특성을 나타냄.

 

구분	양자 컴퓨터의 특성
통신능력 측면	선제적으로 얽힘을 공유할 때 양자 정보를 손쉽게 전송하고 상호공유할 수 있고 이를 통해 통신 복잡도를 현저하게 낮출 수 있음.
계산능력 측면	양자 정보의 중첩, 간섭, 얽힘 특성을 이용해 처리하고자 하는 데이터 값들에 존재하는 전역적 특성을 쉽게 확인할 수 있어 복잡한 병렬 연산을 많이 요구하는 문제에서 특히 뛰어난 성능을 보임.
보안능력 측면	양자 정보의 관측 붕괴성, 복제 불가능성, 표현방식에서의 임의성 특성은 정보보호에서 기존의 방식에 비해 보다 다양한 활용이 가능함.

자료: 최병수, “양자컴퓨팅시스템 개발 및 활용 동향”, 2016

 

    - 상기와 같은 양자 컴퓨터의 특성을 구현하기 위해 중요한 기술적 요건 중 하나는 큐비트 수임. 양자 상태를 잘 표현할 수 있는 큐비트 수가 증가할수록 양자병렬처리를 통해 정보처리 및 연산 속도가 지수 함수적(2ⁿ)으로 증가하기 때문에 소인수분해, 추천알고리즘, 데이터 검색의 효율적인 처리가 가능한바 이로 인해 금융분야, 의료분야, 제약분야 등 데이터의 효율적인 활용이 필요한 분야에서 양자 컴퓨터 기술의 사용이 높아질 것으로 기대됨.

    - 글로벌 정보 기술 연구 및 자문 회사인 가트너는 양자 컴퓨터 프로젝트에 예산을 책정하는 기업이 2018년에는 1% 미만이었지만 2023년까지 그 비율이 20%에 이를 것으로 전망하면서 타임라인에 따른 양자 컴퓨터 기술 활용 동향을 다음과 같은 그래프로 나타냄.

 

타임라인에 따른 양자 컴퓨터 기술 활용 동향

자료: Gartner 2018

 

  ㅇ 금융 분야

    - 2016년 양자 컴퓨터 회사인 D-wave systems Inc., 양자 소프트웨어 회사인 1Qbit Information Technologies Inc. 및 금융 업계 전문가들은 정량 금융 및 양자 컴퓨팅 전문가가 서로 양자 기술에 대한 아이디어를 공유하고 금융 분야에 대한 응용 여부를 모색하기 위한 온라인 커뮤니티인  ‘Quantum for Quants’를 설립함.

    - 이 온라인 커뮤니티를 통해 금융 업계 전문가들은 포트폴리오 최적화, 리스크 관리 등의 복잡한 금융 계산 문제를 해결할 수 있고 이를 위해 양자 컴퓨팅 소프트웨어 도구, 시뮬레이터 등의 전문지식을 이용할 수 있게 됨.

 

양자 어닐러를 사용한 차익거래 최적화 모델

자료: Quantum for Quants

 

    - 상기 차익거래 최적화 모델은 양자 컴퓨터 모델 중 하나인 양자 어닐러(D-WAVE 2X)를 사용하고 5개의 통화를 이용해 가장 수익성이 높은 차익 거래 사이클을 찾는 것을 목적으로 한 것으로 푸른색으로 표시된 것이 가장 수익성이 높은 차익 거래 기회임.

 

  ㅇ 의료 분야

    - 양자 컴퓨터는 빠른 데이터 처리가 가능하므로 CT와 같은 영상 분석, 임상실험과 관련한 결과 분석 등에 활용할 수 있음.

    - 스탠포드 대학의 게리 놀란 교수는 CODEX라는 이미징 플랫폼을 통해 조혈, 암 및 백혈병, 자가면역 및 염증 반응, 면역 네트워킹 및 면역 시스템과 관련해 양자 컴퓨팅 기술을 사용함.

    - 또한 놀란 교수는 분석 가능한 단백질의 수가 기존 기술에 비해 월등한 단일세포분석장치인 CyTOF(질량 분석-유동 세포 분석의 융합장치)를 활용하고 있는데 상기 CODEX 및 CyTOF를 활용해 생성되는 대규모 고차원 데이터세트를 해석하기 위한 머신러닝 알고리즘의 개발 및 활용에 양자 컴퓨터 기술을 이용할 수 있을 것으로 기대함.

    - 암 치료 방법을 연구하고 있는 텍사스 대학의 TACC(Texas Advanced Computing Center)의 모랄레스(Morales)는 Stampede라는 수퍼 컴퓨터에서 양자 역학 계산 모델을 사용해 양성자-암-치료 화학 반응에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행함으로써 암 환자의 생명이나 건강에 해를 끼치지 않고 최적의 방사선 산출량 및 그 기본 원리에 대해 연구하고 있는바 향후 양자 컴퓨터를 적용한 결과가 기대됨.

 

TACC의 암 치료 접근 방법

자료: TACC

 

  ㅇ 제약분야

    - 스탠포드의 FAH(Folding at Home) 프로젝트는 단백질의 접힘 오류(misfolding)와 관련한 질병으로 알려진 알츠하이머, 헌팅턴, 낭포성 섬유증, 광우병, 유전성 폐기종 및 다양한 형태의 암을 치료하기 위해 단백질의 3차원 구조 및 작동 방식을 이해하고 분석함으로써 새로운 약물을 개발하고 있는바 이에 양자 컴퓨터를 활용할 수 있을 것으로 기대됨.

 

FAH에서 단백질 3차원 구조를 컴퓨터를 활용해 분석하는 모습

자료: FAH

 

    - 한편 하버드 대학은 2012년에 D-WAVE 양자 컴퓨터를 사용해 6개 아미노산 격자 단백질 모델의 기저 상태를 발견하면서 해당 성과가 양자 컴퓨터가 자연 과학과 관련한 최적화 문제를 해결하는데 사용된 최초의 사례임을 발표한바 있음.

 

  ㅇ 교통 분야

    - 폴크스바겐 그룹과 구글은 2017년 웹 서밋(Web Summit) 기술 콘퍼런스에서 양자 컴퓨팅 분야에 대한 포괄적 연구협력을 발표하고 소요 시간을 최소로 단축시킬 수 있는 교통 최적화 기술, 전기 자동차를 위한 고성능 배터리 구조 및 재료 시뮬레이션 연구에 양자 컴퓨터 기술을 사용할 것이라고 선언함.

 

폴크스바겐 그룹이 양자 컴퓨터를 사용해 고안한 교통 최적화 기술

자료: Volkswagen

 

    - 특히 교통 최적화 기술과 관련해 양자 컴퓨터는 차량이 움직일 때 주변 차량의 대수, 속도와 속력, 주변 상황, 유입과 유출 등의 데이터를 실시간으로 연산해 최적화 경로를 알아낼 수 있는바 폴크스바겐 그룹은 베이징의 택시 노선을 최적화하고 차량을 관리하기 위해 양자 컴퓨팅 기술을 활용하고 있으며, 이를 가능케하는 알고리즘을 개발함.

 

  ㅇ 물류 및 공급망 분야

    - 일정 계획부터 경로 예측 및 교통 시뮬레이션에 이르는 물류의 최적화에 양자 컴퓨팅 기술을 응용할 수 있음.

    - 양자 컴퓨터는 의사 결정 모델 내에서 끊임없이 복잡하게 변화하는 변수를 매우 우수하게 처리할 수 ​​있기 때문에 제조업체는 IoT를 사용하는 사용자로부터 확보되는 방대한 양의 데이터를 양자 컴퓨터를 활용해 가공함으로써 공급망 내에서 자원 관리를 최적화할 수 있음.

    - 두바이 전기 수도국(DEWA)은 미국의 마이크로소프트사와 협력해 에너지 분배, 용수 사용량 및 네트워크 설계를 관리함으로써 에너지 최적화를 실행할 수 있도록 그리드(grid) 및 유틸리티 관리에 양자 컴퓨팅 기술을 도입함.  

 

□ 시사점

 

  ㅇ 미래의 게임 체인저가 해결해야 할 과제들

    - 전문가들은 양자 컴퓨터가 소인수분해, 대량 데이터 탐색, 최적경로 예측 등 동시다발적으로 발생되는 정보의 처리가 요구되는 복잡한 계산과 데이터 처리에 강점이 있는 만큼 다양한 산업 분야에서 게임 체인저(Game Changer), 즉 시장의 흐름을 통째로 바꾸거나 판도를 뒤집어 놓을 만한 결정적인 역할을 할 것으로 예측함.

    - 그러나 양자 컴퓨터를 실제로 구현함에 있어서는 큐비트의 중첩 및 얽힘을 정밀하게 제어하고 큐비트의 동작 안정성을 확보함. 양자 게이트를 제어하고 동작과정에서 오류를 정정하는 것이 관건인바 이를 위해 초전도체, 이온트랩과 같은 기존의 큐비트 구현 방식을 비롯한 제반 기술의 발전이 필요함.

    - 한편 양자 컴퓨터가 현재의 암호체계를 무력화시킬 수도 있다는 우려의 시선도 있지만 보안업계에서는 차세대 RSA를 개발하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있고 아직까지는 기술 발전 속도로 볼 때 양자 컴퓨터가 현재 암호체계에 미칠 영향이 위협적이지 않기 때문에 충분히 대비한다면 문제가 없을 것임.

 

  ㅇ 양자 컴퓨터 기술과 관련한 우리나라의 현 주소

    - 우리나라는 양자암호통신 분야에서 국제기술표준화가 진행 중이며, 민간업체가 세계 수위의 경쟁력을 확보해 나가고 있는 실정이나 양자 컴퓨팅 기술과 관련해서는 아직까지 선도국인 미국, 중국, 유럽에 비해 기술적·인적 자원 및 산업 기반이 열악한 편임.   

    - 이와 관련해 글로벌 IT사에 근무하는 K씨는 KOTRA 실리콘밸리 무역관과의 인터뷰에서 “양자 컴퓨터는 새로운 패러다임을 만들어낼 원천 기술에 해당하기 때문에 연구개발의 방향을 추격형이 아닌 선도형으로 전략을 세워야 하고 규모적인 면에서 시장에의 파급효과가 크고 자본집약적인 만큼 정부 주도의 기술 개발이 필요하다”고 분석함.

    - 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 다른 프로그래밍 언어를 필요로 하고 양자 컴퓨터용 소프트웨어 알고리즘을 통해 유용한 솔루션을 개발하는 주체가 시장 경쟁에서 우위를 확보할 것인바 양자 소프트웨어에 대한 개발도 필요함.

    - 이와 관련해 중소기업은 선도기업들이 제공하기 시작한 양자 클라우드 서비스를 활용해 차별화된 응용 프로그램을 개발하고 시장을 선점하는 전략도 생각해 볼 수 있음.

 

자료: Q-edu-lab, Dhyeyaias, Google, Nature, Inside Quantum Technology, 최병수 “양자컴퓨팅시스템 및 개발동향”, Garter, Quantum for quants, Stanford, TACC, FAH, Harvard, Volkswagen, Microsoft, KOTRA 실리콘밸리 무역관 자료 종합