- 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.