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1 * I. MS 의양자컴퓨터개발, 양자알고리즘연구에서타사에우위 마이크로소프트 (MS) 는일찍부터양자물리학의최첨단기술을사용하여안정적으로가동할수있는양자컴퓨터개발을목표로연구를진행해왔으며, 최근그결과를공개하였음. MS는소프트웨어부문에서이미양자컴퓨터를위한개발환경및시뮬레이터를제공하고있으며, 하드웨어의본격적인등장에앞서양자알고리즘의연구에서 IBM, 구글등경쟁자들에앞서의미있는진전을만들어내고있다는평가를받고있음 마이크로소프트 (MS) 의양자컴퓨터개발은 10 여년전에시작되었으며, 2005 년양자컴퓨터개발을위한연구기관 스테이션 Q(Station Q) 를개설한것이본격적인시발점 스테이션 Q 는 Microsoft Research( 마이크로소프트연구소 ) 의양자컴퓨터연구부문으로하드웨어장치의개발을담당하고있으며, 범용양자컴퓨터 (Universal Quantum Computer) 를개발하여제품화하는것을최종목표로하고있음 스테이션 Q 는저명한수학자마이클프리드먼 (Michael Freedman) 에의해설립되었으며, 프리드먼은양자컴퓨터아키텍처중하나인 위상양자컴퓨터 (Topological Quantum Computer) 라는기술방식의연구를진행하고있었음 < 자료 > Microsoft [ 그림 1] MS 의스테이션 Q( 왼쪽이프리드먼 ) 위상양자컴퓨터는이차원평면에서움직이는특수한입자의특성을이용하는것인데, 입자의위상변화를정보단위로하는방식임 프리드먼은위상양자컴퓨터방식을당시 MS 의최고연구책임자 (CRO) 였던크레이그문디 (Craig Mundie) 에제안했는데, 이를계기로 MS 의양자컴퓨터개발이시작되었으며프리드먼이 * 본내용과관련된사항은산업분석팀 ( ) 과최신 ICT 동향컬럼리스트박종훈집필위원 (soma0722@naver.com ) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 31

2 주간기술동향 제창하는방식의양자컴퓨터를차세대사업의핵심축으로자리매김하였음 캘리포니아산타바바라에처음설립된스테이션 Q 는현재미국레드몬드, 퍼듀대학, 매릴랜드대학, 유럽의코펜하겐, 델프트, 쮜리히, 호주시드니등에도설립되어미국, 유럽, 아시아권양자컴퓨터연구진들과활발한협력연구활동을벌이고있음 이후 MS 의양자컴퓨터연구는 2011 년양자컴퓨터소프트웨어개발부문인 Quantum Architectures and Computation Group(QuArC) 을개설하며또하나의전기를마련하였음 QuArC 은스테이션 Q 의소프트웨어부문으로자리매김되어양자컴퓨터알고리즘연구를수행하고있으며, 이미프로그래밍환경과양자컴퓨터시뮬레이터를개발해일반에공개하였음 QuArC 의주요목표는본격적인양자컴퓨터하드웨어의등장에앞서실제로사회에도움이되는양자응용프로그램의개발을진행하여기여한다는것임 < 자료 > Microsoft [ 그림 2] QuArC 의양자컴퓨터시뮬레이터 MS 는양자컴퓨터연구개발성과를대학을위시한외부연구기관들과공유하고있으며, 학계의연구개발에기여한다는목적외에도우수한인재를육성 채용한다는목적하에서펼치고있는정책으로분석되고있음 QuArC 의선임연구원인크리스타스보르 (Krysta Svore) 는캘리포니아공과대학에서강의하며양자컴퓨터의응용분야에대한구상을밝힌바있으며, MS 의양자컴퓨터개발과관련한주요아이디어는캘리포니아공과대학에서태동했다고볼수있음 양자컴퓨터개발에나서고있는다른기업들과마찬가지로 MS 역시양자컴퓨터의킬러애플리케이션은 자연계의시뮬레이션 이라생각하고있음 크리스타스보르도물리적현상을양자레벨, 즉원자나전자등의상태를마이크로차원에서정의하는방법을통해시뮬레이션하려면양자컴퓨터가최적의프로세서라고설명하고있음 현재물리현상을시뮬레이션하거나물질소재의연구및소립자연구에서슈퍼컴퓨터가사용되며, 이런용도가슈퍼컴퓨터사용시간의절반가까이를차지하고있음 그러나슈퍼컴퓨터의대부분이자연현상의시뮬레이션에사용되고있긴하지만분자를양자레벨에서시뮬레이션하는데슈퍼컴퓨터의성능은충분하지않으며작은크기의분자밖에취급할수없는것이현재슈퍼컴퓨터의수준임 32

이에비해양자컴퓨터는복잡한분자구조를전자수준까지분석할수있으며, MS 가주목하고있는것은에너지분야에서양자컴퓨터를활용하여지구온난화를방지한다는구상임 QuArC 는페레독신 (Ferredoxin) 이라는분자의시뮬레이션을진행하고있으며, 페레독신은철 (Fe) 과황 (S) 으로구성된단백질로식물의광합성을통해전자를운반하는역할을하는물질임 MS

3 이에비해양자컴퓨터는복잡한분자구조를전자수준까지분석할수있으며, MS 가주목하고있는것은에너지분야에서양자컴퓨터를활용하여지구온난화를방지한다는구상임 QuArC 는페레독신 (Ferredoxin) 이라는분자의시뮬레이션을진행하고있으며, 페레독신은철 (Fe) 과황 (S) 으로구성된단백질로식물의광합성을통해전자를운반하는역할을하는물질임 MS 가주목하는것은페레독신을사용하여공기중의이산화탄소를흡수하는촉매를생성하는아이디어이며, 식물이광합성으로이산화탄소를흡수하듯이페레독신을이용한촉매가있으면배출되는이산화탄소의양을 80~90% 까지감소시킬수있다고함 이촉매를생성하려면양자수준에서페레독신의에너지상태를파악할필요가있는데 MS 는여기에양자컴퓨터를사용하여큐빗 (Qubit) 을전자상태에서매핑하여분자를시뮬레이션하고있으며, 페레독신의시뮬레이션에는 100~200 개의큐빗이필요하다고함 마이크로소프트는페레독신을포함한분자시뮬레이션을위한양자알고리즘의개발을진행하고있으며, QuArC 건립이후 5 년동안급속도로기술수준을발전시켰음 2012 년페레독신의에너지레벨을구하는양자알고리즘을개발할당시에는양자컴퓨터에서실행해도 240 억년이걸리는수준이었는데, MS 는이알고리즘의개량을계속해 2015 년경에는이시간을 68 분정도로단축할정도로향상시켰음 [ 그림 3] 의그래프는분자시뮬레이션에서양자알고리즘의성능을보여주고있는데, 세로축은계산에필요한시간 ( 추정 ) 을나타내고가로축은계산에필요한큐빗의수를나타내며, 점선그 < 자료 > Quantum Information and Computation [ 그림 3] 양자알고리즘의분자시뮬레이션성능 정보통신기술진흥센터 33

4 주간기술동향 래프는서로다른양자알고리즘을나타내는데위부터아래의순서로성능이향상되고있음을보여주고있음 페레독신은그래프의오른쪽에 Fe2S2 로표시되어있으며, MS 는수학모델의개량및소프트웨어의최적화를통해성능을향상시켰다고설명하고있음 한편, 양자레벨시뮬레이션을통해양자컴퓨터를이용하여새로운소재를찾을수있다는기대감도커지고있으며, 목표중하나는실온에서초전도를일으키는물질을찾는것임 이물질은 Room-Temperature Superconductor( 상온초전도체 ) 라고하는데말그대로실온에서초전도가되는물질로, 초전도상태가되면전기저항이없어져전기를보낼때에너지손실은제로가되므로, 이를찾아내는것은전세계의위대한도전 (grand challenge) 이라불리고있음 양자컴퓨터에서상온초전도물질이발견된다면그이점은헤아릴수없는데, 대표적활용사례는송전선로로발전소에서가정까지에너지손실없이전력을내보낼수있게됨 일반전선을사용할경우송전과정에서는전력의 6% 정도가손실되는데, 초전도상태로전송하게되면손실을없앨수있다는것을알지만, 이를위해서는고압선을섭씨영하 200 도가까이냉각시켜야한다는점이실현의걸림돌이되고있는상황 그러나양자컴퓨터를통해상온초전도물질이발견된다면, 가령미국서부사막에태양광발전소를건설하고거기서발전한전력을손실없이동부의뉴욕으로송전하는것이가능해짐 자기부상열차로도불리며, 특히학계에서큰관심을보이고있는초전도리니어 (Linear) 는초전도코일을탑재하며, 이것이자석이되어부력과추진력을얻게되지만, 코일을초전도상태로하기위해서는액체헬륨으로섭씨영 < 자료 > SciencePLX 하 269 도까지냉각시켜야하는과제가있음 [ 그림 4] 초전도리니어 ( 자기부상열차 ) 상온초전도물질이발견된다면냉각장치가필요없어져열차의구조가크게단순화되므로미국의연구자들은양자컴퓨터를통해이소재를찾아내는것을목표로하고있으며, 양자컴퓨터로돌파구를찾게된다면초전도리니어가폭넓게보급될수있을것으로보임 이처럼양자컴퓨터가자연계의시뮬레이션에적합한이유는자연계의현상은고전물리학으로정의할수없으며자연계가양자역학에따라움직이고있기때문 크리스타스보르와함께캘리포니아공과대학에서교수로재직중이며, 1965 년에노벨물리학 34

상을수상한리차드페인만 (Richard Feynman) 은양자컴퓨터가자연계의시뮬레이션에가장적합하다고설명하고있음 페인만은캘리포니아공과대학의 Potentialities and Limitations of Computing Machines( 컴퓨터의가능성과한계 ) 강좌에서양자컴퓨터에대해언급하고있으며,

5 상을수상한리차드페인만 (Richard Feynman) 은양자컴퓨터가자연계의시뮬레이션에가장적합하다고설명하고있음 페인만은캘리포니아공과대학의 Potentialities and Limitations of Computing Machines( 컴퓨터의가능성과한계 ) 강좌에서양자컴퓨터에대해언급하고있으며, 자연계는양자역학에따라움직이고있기때문에이를시뮬레이션할수있는것은양자컴퓨터밖에없다고말하고있음 양자컴퓨터개념의창시자로알려진페인만은, 자연계의현상은고전물리학의이론으로정의할수없으며, 자연계를시뮬레이션한다면양자컴퓨터를사용해야한다고설명하고있으며, 동시에양자를제어하는것은매우어렵다는점을함께언급하고있음 페인만은아인슈타인의상대성이론과양자역학을융합하는 Quantum Electrodynamics( 양자전기역학 ) 이론으로노벨물리학상을수상한바있음 MS 가추구하고있는 위상양자컴퓨터 기술은오류에대한내성이높은구조가특징이지만, 매우어렵고아직초기단계여서장기적인연구가요구된다는것이걸림돌임 위상양자컴퓨터는기존의연구와다른방식의새로운패러다임으로, 양자컴퓨터의오류에대한내성이높은구조라는것이가장큰특징이자장점 위상기하학 (Topology) 은물건을부드럽게변형했을때변하지않는성질을연구하는학문이며, 부드러운변형이란물건을늘이거나줄이거나구부러뜨리거나하는것을의미하며, 찢거나합치는것은포함되지않음 즉, 위상기하는외부자극에영향을받지않는특성을가지고있으며, 이를양자컴퓨터에응용한것이바로위상양자컴퓨터 (Topological Quantum Compute) 임 위상양자컴퓨터는선모양의 Quasiparticle( 의사입자 ) 집합체 를기본단위로하며, 기본단위사이의엉킴을측정하여이를연산단위큐빗으로하는데, 의사입자의집합체는뜨개질처럼다른집합체와얽히면서진행됨 의사입자로는소립자의한형태인 애니온 (Anyon) 이사용되며, 애니온은전자와그반물질 (antimatter) 를동시에가지는것으로 1937 년이탈리아의천재물리학자에토레마요라나가예언한 마요라나페르미온 (Majorana Fermion) 이라불림 < 자료 > Nature [ 그림 5] 위상양자컴퓨터의연산단위 정보통신기술진흥센터 35

6 주간기술동향 마요라나페르미온은그존재가의심되어오다지난 2012 년네덜란드델프트기술대학연구진에의해처음으로관측되었는데, 이발견은 MS 의지원으로이루어진것이며이후델프트대학연구진과 MS 는긴밀한협력을유지하며양자컴퓨터개발을지속하고있음 위상양자컴퓨터가오류에대한내성이높은이유는개별의사입자에정보를인코딩하는것이아니라선이꼬이는횟수 ( 선이겹치는부분 ), 즉의사입자의집합체가포지션을바꾸는순서에정보를인코딩하기때문 의사입자는외부의노이즈에의해강도와위치가변화하지만, 정보는위상의특성에포함되어있기때문에노이즈의영향을받지않게되는것임 위상양자컴퓨터 는전형적인고위험 고수익의기술방식으로자금력이풍부한 MS 로서는투자하여봄직한방식이며, 성공을거둘경우 MS 는양자컴퓨터의선두로올라설수있음 MS 는아직수수께끼의해명이완전히이루어지지않은마요라나페르미온소립자를이용하고있기때문에, MS 의양자컴퓨터개발목표는그신뢰성을확보하는데있음 입자에정보를삽입하는방식으로개발하는양자컴퓨터의오류비율은비교적높아 10^(-4) 정도라고알려져있는반면, 위상양자컴퓨터의오류비율은이보다매우낮은 10^(-30) 까지도달할수있다고알려져있음 현재상용양자컴퓨터는오류비율이 10^(-10) 정도일것이요구되고있으며, MS 의위상양자 < 자료 > Delft University of Technology 컴퓨터는이조건을훨씬넘어서는것이라할수있어만일상용화가이루어진다면 MS 는경 [ 그림 6] 델프트기술대학과 MS 의공동연구쟁자들에비해크게앞서는양자컴퓨터기술력을단숨에확보하게될것으로예상됨 단, 위상양자컴퓨터는아직기초연구단계여서장기간에걸친연구개발이필요한데, 이런점은풍부한자금력을가진 MS 로서는문제가되지않으며오히려 MS 에적합한연구개발아이템이라할수있음 MS 는양자컴퓨터의핵심기술인소프트웨어개발에주력하고있는데, 시뮬레이터를사용하여양자알고리즘을개발하고있으며, 상용양자컴퓨터들이등장하면여러분야에서바로활용할수있게해주는준비를해나가고있음 36

7 양자컴퓨터개발에서는하드웨어뿐만아니라알고리즘의개발도쉽지않고시간과비용이많이소요되는데, MS 는알고리즘의개발을선행하여유용한애플리케이션의개발을목표로함으로써경쟁기업과차별화를꾀하고있음 또한, 양자알고리즘의개발은인공지능 (AI) 의발전과도밀접한관련이있기때문에, MS 는양자알고리즘개발에적극적인투자를지속할것으로예상됨 [ 참고문헌 ] [1] Next Big Future, Cornell developing transition metal dichalcogenides which could make topological superconductor and quantum computers, [2] Computerworld, Microsoft to double headcount of Sydney quantum computing lab, [3] The Economist, Here, There and Everywhere, [4] Nature, Inside Microsoft's quest for a topological quantum computer, 정보통신기술진흥센터 37

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<4D F736F F D20C3D6BDC C0CCBDB4202D20BAB9BBE7BABB> * 최신 ICT 이슈 I. 구글새로운방식의양자컴퓨터개발계획, 수년내실현이목표 구글이제3 유형의양자컴퓨터를독자개발중이라고밝혔음. 첫번째유형은 2013 년에판매가시작된 D-웨이브시스템즈의양자컴퓨터이고, 두번째유형은 2014 년부터시작된양자게이트방식의양자컴퓨터이며, 구글은이둘을접목한새로운양자어닐링 (Annealing) 방식으로성능을개선중임. 구글은수년내에현재의양자컴퓨터보다진일보한기술을선보임으로써,