53 큐빗 양자컴퓨터

53 큐빗 양자컴퓨터(53 qubit quantum computer)는 큐비트(qubit) 수가 50개를 넘어서면서 양자 우위가 달성되는 양자컴퓨터이다. 50큐비트는 비트로 환산했을 경우, 슈퍼컴퓨터가 수십에서 수백 페타바이트 정도 데이터를 처리하는 것과 비슷하다.

개요

53 큐빗 양자컴퓨터는 53개의 큐비트로 구성된 양자 칩을 탑재한 양자컴퓨터이다. 2019년 9월 20일에 구글이 처음으로 53 큐빗 양자컴퓨터를 개발했다는 소식을 보도하여 파장을 야기했다. 구글이 시커모어라는 이름의 양자컴퓨터 칩을 만들었으며, 이에 대한 논문을 미국 항공우주국(NASA) 사이트에 게재했다가 삭제한 상태이다. 시커모어는 난수를 만든 뒤 이 수가 난수가 맞는지를 증명하는 단순한 작업이 가능한 컴퓨터로 현존하는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 1만 년을 계산해야 풀 수 있는 난수 증명 계산을 시커모어는 단 200초(3분 20초) 만에 해냈다. 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터의 성능을 뛰어넘은 양자 우월성에 최초로 도달한 순간이다. 이후, IBM에서도 50큐비트를 넘는 53큐비트 양자컴퓨터 칩을 개발하고 세계 최초로 범용 양자컴퓨터 클라우드 서비스 형태로 상용화하겠다는 계획을 진행하고 있다. 50큐비트 이상을 처리할 수 있는 양자 우위가 달성되었을 때 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 특수 연산을 200초 만에 해결하는 등 압도적인 성능을 자랑하지만, 양자컴퓨터는 기존에 컴퓨터가 했던 일들을 전부 할 수 없지만 양자 난수 생성과 관련된 특수 연산에서만 빠르다. 구글과 IBM 이 두 회사가 양자컴퓨터 사업에서 선두를 달리고 있는데, 구글이 먼저 53큐비트 양자컴퓨터 칩을 출시하면서 IBM도 따라서 IBM Q 네트워크에 구축된 27큐비트 양자 컴퓨팅 시스템을 업그레이드해 64 양자 볼륨을 달성했다.

특징

53 큐빗 양자컴퓨터는 양자역학 원리에 따라 작동하는 컴퓨터이며, 반도체가 아닌 원자를 기억소자로 활용한다. 디지털 컴퓨터가 0과 1을 기본단위로 하는 비트로 명령어를 계산을 진행하고, 양자컴퓨터는 양자칩 성능을 나타내는 단위인 큐비트를 사용한다. 큐비트는 0과 1이라는 2개의 상태가 동시에 존재하는 중첩 현사을 이용하여 정보를 처리하는 방식이다. 2개의 비트는 각각 0과 1을 의미하지만, 2개의 큐비트는 00, 01, 10, 11 등 4개 값을 동시에 가질 수 있다. 큐비트가 표시할 수있는 정보량이 3개이면 8개(23), 4개 이면 16개(24)의 상태를 동시에 갖는다. 디지털 컴퓨터와 양자컴퓨터가 100원짜리 동전을 정보로 처리할 경우에는, 디지털 컴퓨터는 앞면과 뒷면 2가지로만 정보를 표현하고, 양자컴퓨터는 360°각도에서 본 동전 모양과 동전의 회전 상태도 정보로 표현할 수 있다. n개의 큐비트는 $2_{n}$만큼 가능하게 되며, 입력 정보량의 연산 능력이 기존의 디지털 컴퓨터와 비교할 수 없을 정도로 빨라진다. 큐비트가 53개 및 72개인 양자컴퓨터는 253과 272 속도로 연산할 수 있다. 큐비트 개수가 300개로 늘어나게 되면 우주에 존재하는 원자 수보다 더욱 많은 양의 정보처리가 가능해진다. 또한, 큐비트가 커질수록 양자컴퓨터의 연산 속도는 기하급수적으로 상승하게된다. 이에 세계 각국이 양자컴퓨터 개발에 막대한 예산을 투입하는 것은 기존의 슈퍼컴퓨터로 해결할 수 없었던 다양한 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 53 큐빗 양자컴퓨터는 큐비트의 볼륨과 퀄리티 역시 중요한 요소이기 때문에 거대하고 복잡한 시스템이다. 약간의 온도 변화와 작은 진동이라고 큐비트의 섬세한 상태를 파괴할 수 있기 때문에 기계적 요류가 발생하기 쉽다. 또한, 큐비트가 중첩 상태를 오랫동안 유지하여 외부 간섭 없이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 데에는 많은 장치가 필요로 한다. 전자나 원자핵의 양자현상을 하나하나 정밀 제어하여 연산을 수행하는 장치와 기술, 연산의 결과물인 칩안의 양자 상태를 측정 장치를 통하여 들여다보는 시스템도 필요하다.

종류

구글

시카모어(Sycamore)

2019 10월 23일에 구글은 양자 우위를 달성했다고 네이처 인터넷 판에 발표했다. 시카모어(Sycamore)칩으로 구동되는 컴퓨터를 발표했다. 양자컴퓨터의 큐비트 수가 50개를 넘어서면 양자 우위가 달성된다고 알려져 있다. 이러한 구글이 개발해낸 시카모어칩은 54큐비트로 구성되어 있다. 이러한 구글의 시카모어칩은 53큐비트가 연결되어 있다. 큐비트는 규모가 커질수록 양자 중첩을 유지하기 어렵기 때문에, 안정적으로 제어하고 오류를 최소화할 수 있는 환경이 필요하다. 그렇기 때문에 원자를 이온으로 만든 뒤 자기장으로 가두는 이온 트랩 방식, 다이아몬드 격자 구조를 이용하여 큐비트를 구현하는 다이아몬드 방식 등 여러 가지가 이용된다. 이러한 시커모어칩은 영하 273.15℃의 극저온 상태의 초전도체 회로에서 작동한다. 이러한 현실 때문에 양자컴퓨터의 빠른 상용화되기는 어렵겠지만, 상용화의 가능성은 조금 더 높였다고 할 수 있다.

IBM

2019년에 IBM은 32양자 볼륨에 도달했고 1년 만에 2배인 64 볼륨을 달성했다. 이전에 IBM Q 네트워크 시스템의 최고 성능은 32 양자 볼륨이었다. 이러한 양자 볼륨을 달성하고 IBM은 이러한 양자 볼륨을 최적화하는 하드웨어 기술과 소프트웨어 개선에 집중했다. IBM 퀸텀(IBM Quantum) 팀은 출판전 논문 사이트인 아르시브에 공개한 논문을 통해 양자 볼륨 64에 도달하기 위해 전체 스택에서 이루어진 기술적인 개선 사항에 대한 세부 정보를 공개했다. 이러한 양자 볼륨을 달성하기 위해 최신 27큐비트 클라이언트 배포 시스템 중 하나인 27큐비트 팔콘칩(Falcon Chip)을 업그레이드했고, 특정 정보 처리 작업을 양자컴퓨터에서보다 효율적으로 또는 비용 효율적으로 수행할 수 있는 양자 이점(Quantum Advantage)을 달성하려면 향상된 양자 회로가 필수로 필요하기 때문이다. 양자 볼륨은 회로의 길이와 복잡성을 측정하며, 이러한 양자 볼륨이 높을수록 산업, 정부 및 과학 연구분야의 실제 문제에 대한 솔루션을 탐색할 가능성이 높아지기 때문에 양자 볼륨 회로를 최적화하는 하드웨어 기술과 소프트웨어 개선에 집중하고 있다. 이러한 하드웨어 인식 방법은 확장이 가능하며 모든 IBM 퀸텀 시스템에서 실행되는 모든 양자 회로를 개선해 사용자가 탐색할 수 있는 실험 및 애플리케이션을 개선한다.

논란

2020년 9월 4일, IBM 퀀텀은 미국 코넬대학교에서 운영하는 무료 논문 배포사이트 아카이브(arXiv)에 공개한 출판전(preprint) 논문 '초전도 양자 컴퓨팅 시스템에서 양자 볼륨 64 데모(Demonstration of quantum volume 64 on a superconducting quantum computing system)'을 통해 64 양자볼륨을 달성하기 위해 적용한 기술적 개선사항의 세부사항을 제시했다. 흔히 양자컴퓨터 정보처리의 최소단위인 큐비트 수가 높을수록 성능이 높을 것이라는 기대가 있다. 하지만, IBM은 양자컴퓨터의 실용성을 나타내기엔 큐비트가 적절하지 않다는 입장이다. IBM이 2019년 9월에 개발했다고 발표한 양자컴퓨터는 53 큐비트이다. 큐비트 수만 놓고 보면 이번에 64 양자볼륨을 달성한 시스템의 2배 정도이다. 하지만, IBM은 아직 이 시스템의 양자볼륨이 얼마인지에 대해 밝히지 않았다. 구글 역시 양자컴퓨터를 개발하고 있으며, 2018년 3월에 72큐비트 시스템을 개발했다고 발표하고 2019년 10월에는 자사 53큐비트 시스템으로 현존 최고 슈퍼컴퓨터를 압도해 양자우위를 달성했다고 주장했지만 공인되진 않았다.

전망

양자컴퓨터는 구글과 IBM이 선두로 발전해나가고 있으며, 무엇보다도 빠른 개선 속도로 연구 분야를 넘어 실용적 영역에도 도전하고 있다. 이러한 양자컴퓨터는 선진국이라면 국가 차원에서 양자컴퓨터의 연구개발을 추진하고 있는데, 그 이유로는 양자컴퓨터가 상용화 되었을 때 대체하는 것은 물론 금융, 제조, 유통, 공공 등 모든 산업에서 혁신을 이루어낼 것으로 전망하고 있다. 구글, IBM, 마이크로소프트, 삼성전자 등 글로벌 IT기업은 물론 각 국가 정부도 양자컴퓨터 기술 확보를 위한 정책을 추진하고 있고 또한 국가 차원에서 대규모 투자를 쏟아붓고 있다. 미국은 국가 과학기술 위원회(NSTC, National Science & Technology Council)에서 "국가 양자정보과학 비전(A Federation Vision for Quantum Information)"을 수립하면서 양자컴퓨터 개발 정책을 본격적으로 시작했다. 2016년 멀티 큐비트 발전을 위해 LogiQ(Logical Qubits Program) 프로그램을 시행했고, 2017년 USC(University of Southern California) 중심으로 높은 성능의 양자컴퓨터를 개발하는 QEO(Quantum Enhanced Optimization) 프로젝트를 진행했다. 미국 양자컴퓨터 정책은 2018년 12월 발표된 "국가 양자 이니셔티브 법안(National Quantum Initiative ACT)"으로 집약되고, 이 법안을 기반으로 향후 10년간 국가 양자 R&D 목표, 우선 과제 등이 제시되고 또한 국립 표준 기술연구소(NIST), 국가 정보국(ODNI) 등 여러 조직이 개별적으로 수행하던 양자컴퓨터 프로젝트를 연방 정부에서 조정하여 효과가 높아지게 되었다. 특히, 예산 지원의 법적 근거가 확보되어 향후 5년간 12억 달러 예산 투자가 이루어져, 양자컴퓨터 발전에 크게 기여할 것으로 예상된다.

일본은 문부과학성에서 추진하고 있는 Q-LEAP(Quantum Leap Flagship Program)이 양자컴퓨터 개발에 중요한 축을 담당하고 있는데, 이 프로그램에 2018년부터 10년간 약 300억엔을 투입하게 되고, 이를 통해 대규모 정보처리가 가능한 양자정보처리 기술을 개발하게 된다. 또한 보다 효과 있는 정책 수행과 양자컴퓨터 개발을 위해 2016년 양자 과학기술 개발기구(QST, The National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology)를 설립하였다. QST는 양자컴퓨터 개발을 총괄하는 별도의 연구법인이다. 양자정보기술 개발에 가장 큰 규모로 투자하는 나라는 중국이다. 중국은 2012년 "양자 제어 연구 국가 중대 과학기술 프로그램"을 제정하였고, 미국을 능가할 수 있는 분야로 양자정보기술을 지정해 역량을 집중하고 있다. 또한 세계 최대 양자 연구소 구축 계획을 수립하고, 안휘성 허베이시에 760억 위안을 투자해 양자 정보과학 연구소 설립을 추진하고 있다. 중국의 양자정보기술 투자는 2016년 8월 세계 최초 양자 암호 통신 위성 "묵자호" 발사 성공으로 이어졌다. 묵자호를 이용해 중국은 베이징과 오스트리아 빈 간(약7,600km) 양자 암호 통신을 2018년 1월 성공하였다. 유럽연합(EU)은 2016년 5월 발표한 양자정보통신 성명서(Quantum Manifesto)를 통해 양자컴퓨터에 대한 개발 목표와 계획을 제시했다. EU는 양자정보기술을 양자컴퓨터, 양자통신, 양자 시뮬레이터, 양자 센서로 구분했고, 각 분야별 R&D 계획을 수립했다. 특징적인 것은 양자 기술 타임라인을 발표했는데, 이는 5년, 10년, 15년 단위로 개발 기술 로드맵을 구성한 것이다. EU는 성명서와 함께 10년간 10억 유로 투자 계획을 발표했다.

참고자료

• KISTI의 과학향기, 〈구글, 양자컴퓨터 개발에 성공하다〉, 《소프트웨어 중심사회》, 2019-12-06
• 고든, 〈구글의 53 큐빗 양자 컴퓨터 Sycamore〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-25
• 임진철 이사, 〈양자컴퓨팅, 우리는 무엇을 준비해야 하나〉, 《투이컨설팅》, 2019-11-07
• David, 〈IBM 퀀텀, 64 양자 볼륨 양자컴퓨터 구현〉, 《사이언스모니터》, 2020-08-21
• 임민철 기자, 〈삼성전자도 쓰는 IBM 양자컴퓨터, 성능 2배 됐다〉, 《아주경제》, 2020-09-08
• 김형자 과학칼럼니스트, 〈세상 바꿀 양자컴퓨터, 구글이 진짜 개발했을까?〉, 《주간조선》, 2019-10-14

같이 보기

• 양자컴퓨터

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