* 최신 ICT 이슈 I. 구글, 하이브리드방식으로 5 년이내상용양자컴퓨터의선두목표 IBM 에이어구글도 5년이내에양자컴퓨터기술을상용화하겠다는계획을밝힘에따라양자컴퓨터주도권을차지하기위한기술공룡들간경쟁이본격화될조짐을보이고있음. 구글이개발하고있는기술은아날로그방식의양자컴퓨터에독자적으로개발한디지털기술을통합한하이브리드방식이란점이특징. 구글도궁극적으로는디지털방식의양자컴퓨터를지향하지만, IBM 에비해후발주자인현재의열세를좁히기위한전략으로하이브리드방식을취한것으로보임 구글은 2017 년 3 월, 양자컴퓨터기술을 5 년이내상용화하겠다는계획을학술지네이처 (Nature) 에기고하며디지털이아닌하이브리드방식을채택했다고발표하였음 구글에따르면궁극의양자컴퓨터는 디지털퀀텀컴퓨터 (Digital Quantum Computer) 로현재의컴퓨터와마찬가지로디지털로작동하겠지만현단계에서는다른입장을취할필요가있음 정보처리는디지털방식이당연하다고생각되지만, 양자역학의기본개념이 0 과 1 의이진법을넘어서는것이기때문에양자컴퓨터의세계에서는사정이달라질수밖에없고, 따라서양자컴퓨터가디지털로작동하기위해서는큰장벽을넘어서야함 양자컴퓨터의개발은오류와의싸움이기도한데, 양자컴퓨터의기본단위인 큐빗 (Qubit) 은벡터값인 l0> 과 l1> 을동시에나타낼수있는중첩 (Superposition) 상태를가지기때문에매우불안정하며, 미세한노이즈만으로도상태가변화하는오류가발생하기때문 < 자료 > Nature [ 그림 1] 구글의양자컴퓨터 * 본내용과관련된사항은산업분석팀 ( 042-612-8296) 과최신 ICT 동향컬럼리스트박종훈집필위원 (soma0722@naver.com 02-576-2600) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 34 www.iitp.kr
최신 ICT 이슈 이처럼노이즈로인한상태변화현상을 비응집 (Decoherence) 이라고부르며, 디지털방식으로양자컴퓨터를구현하려면시스템을노이즈로부터보호하고큐비트를안정적으로유지할수있는고도의기술이필요하게됨 이와반대로아날로그방식의양자컴퓨터는제한된작업만실행할수있는한계가있지만오류에대한내성은높은편으로알려져있음 구글이네이처에기고한논문에따르면구글은하이브리드방식을채택하여아날로그방식인 단열양자컴퓨터 (Adiabatic Quantum Computer) 기술을디지털기술로보완한다는방침 전문가들은디지털방식의양자컴퓨터실현까지 10 년정도걸릴것으로내다보고있으며, 구글은하이브리드방식을통해개발기간을대폭단축하여 5 년이내상용화제품을내놓는다는계획을구상중인것으로보임 구글은하이브리드방식이라는독특한양자컴퓨터를통해 발견적양자알고리즘 (Heuristic Quantum Algorithms) 을구현하는것이목적이라밝히고있음 구글이한정된기능을갖는하이브리드양자컴퓨터로얻고자하는것은곧바로사업에활용할수있는응용기술이아니라, 휴리스틱 (Heuristic, 스스로발견하도록돕는학습법 ) 이라부르는새로운기반기술로근사치의해법을개발하는알고리즘임 구글은본격적인양자컴퓨터가등장하면자신들의휴리스틱양자알고리즘이위력을발휘할것으로기대하고있으며, 구글이특히주목하고있는응용분야는 시뮬레이션 (Simulation), 최적화 (Optimization), 샘플링 (Sampling) 등임 시뮬레이션 은양자컴퓨터에서화학반응과물질소재를모델링하고시뮬레이션하는것을말하며, 양자수준의모델링은현재의컴퓨터로는불가능하기때문에양자컴퓨터가크게활약할수있는분야로손꼽히고있음 양자컴퓨터로모델링하게되면다양한소재를머신에서정밀하게가상실험할수있으며, 비행기용화학섬유를강화하거나자동차용배기가스제거장치 ( 촉매컨버터 ) 의효율을올리거나, 태양광전지의변환효율을높이는등의연구에이용될것으로기대됨 최적화 는최적화문제를양자컴퓨터로 < 자료 > IQOQI/Harald Ritsch [ 그림 2] 양자컴퓨터로소립자생성시뮬레이션 정보통신기술진흥센터 35
해결하는것을말하며, 적용분야는무척광범위해서소비자에대한제품추천이나온라인광고의입찰모델, 유통산업에서물류운송루트의최적화등에사용될수있음 아날로그방식의양자컴퓨터를최적화머신 (Optimization Machine) 이라부르기도하는만큼, 최적화는구글하이브리드양자컴퓨터의효과를극대화할수있는분야가될것으로보임 샘플링은통계및기계학습에사용되는방법으로확률분산에서데이터를추출하는기법인데, 구글은실제로 49 큐비트로구성된양자컴퓨터를사용하여샘플링연구를진행하고있음 구글은논문에서양자컴퓨터가현재의수퍼컴퓨터에서실행할수없는문제를해결할수있다고설명하고있는데, 이를 양자패권 (Quantum Supremacy) 이라부르며, 양자컴퓨터는본질적으로현재의수퍼컴퓨터기능을크게상회한다는것을의미함 구글은여러업종에걸쳐많은기업이양자컴퓨터를사용할수있도록 IBM 과마찬가지로양자컴퓨터를클라우드서비스로제공한다는계획을밝혔음 클라우드로제공하는또다른목적은양자컴퓨터를위한알고리즘및응용프로그램개발을촉진하는것이며, 구글은하이브리드방식의양자컴퓨터에관심을갖는연구자를늘리고개발자커뮤니티의형성을목표로하고있음 구글의양자컴퓨터는구글클라우드플랫폼을통해제공될예정이며, 이는양자컴퓨터를인공지능다음의기축기술로자리매김하고클라우드로제공하겠다는 IBM 의전략과동일한맥락 구글은벤처캐피탈커뮤니티를향해서도노력을기울이고있으며, 현재디지털방식의양자컴퓨터기술을중심으로투자를진행하고있는벤처캐피탈에대해구글은하이브리드방식에대한투자의중요성을역설하고있음 궁극의양자컴퓨터는디지털방식이라는데이견이없지만, 구글은자신들의하이브리드기술이그때까지의공백을채울수있어투자대상으로도매력이있다고호소하고있음 구글의전략목표는테슬라처럼처음부터전기차 (EV) 를투입하는것이아니라도요타처럼하이브리드방식으로새로운시장을형성하는것이라할수있음 구글은 2009 년부터 양자인공지능 (Quantum AI) 부문을통해양자컴퓨터연구를진행했으며, 초기에는미항공우주국 (NASA) 과공동으로아날로그방식의연구를진행하였음 구글은 2009 년부터캐나다의벤처기업 D-웨이브 (D-Wave) 가개발한양자컴퓨터를이용하여연구를진행해왔으며, 2013 년에는미항공우주국 (NASA) 과공동으로 양자인공지능연구소 (Quantum Artificial Intelligence Lab, QuAIL) 를설립하였음 QuAIL 은양자컴퓨터에서기계학습및최적화기술을개발하는것을목적으로하며, 실리콘밸 36 www.iitp.kr
최신 ICT 이슈 리에있는 NASA 에임즈연구센터 (NASA Ames Research Center) 내에설립되었음 QuAIL 은 2013 년 5 월 D-웨이브의양자컴퓨터 D-Wave Two 를도입했으며, 이머신은 퀀텀어닐링 (Quantum Annealing) 이라는아날로그방식의양자컴퓨터로구글은최적화연구를중심으로프로젝트를진행하였음 < 자료 > Quantum Artificial Intelligence Lab NASA 는양자알고리즘을이용하여우주 [ 그림 3] NASA 의양자인공지능연구소 (QuAIL) 개발분야에서최적화를현행수퍼컴퓨터보다빠르게실행하는것을목적으로하고있으며, QuAIL 은 2017 년 3 월 D-웨이브의최신모델인 D-Wave 2000Q 를도입한다고발표한바있음 이후구글은 D-웨이브를이용하여양자컴퓨터연구를진행하는한편, 2014 년 9 월부터독자적인양자컴퓨터기술의개발에나섰음 구글은 2014 년 9 월에 UC Santa Barbara( 캘리포니아대학산타바바라 ) 의존마티니교수를초빙하여양자컴퓨터하드웨어연구부문을설립하였음 당시에는 D-웨이브가개발한양자컴퓨터에대해이머신이정말양자컴퓨터인가하는본질적인의문의목소리가학계를중심으로높아지고있었음 D-Wave Two 모델을벤치마킹해보면확실히양자효과를생성하고있지만, 이것이현재컴퓨터의성능향상에기여하고있는지에대해서는많은학자들이의문을제기하였음 마티니교수도의문을품고있던연구자의한사람으로서 D-Wave Two 의평가를실시한후보고서를공개한바있으며, 보고서는 D-Wave Two 가노트북의성능을능가하는것은아니라고냉혹한평가를결론으로담고있음 반면, 구글은 D-Wave Two 를면밀히검증함으로써문제점이나특성을파악하여이를독자적인양자컴퓨터개발에활용하고있으며, D-웨이브를재평가하게만드는높은수치의벤치마크결과등을공표하였음 구글은 D-웨이브에비판적이었던마티니교수를합류시켜양자컴퓨터기술개발연구를진행할것을제안하였는데, 마티니교수는대학재직당시물리학부에서개발한양자칩을 D-웨이브의머신에구현하여하이브리드방식으로성능을개선할것을목표로구글에합류하였음 정보통신기술진흥센터 37
2014 년 6 월구글은아날로그방식을사용하되디지털로제어가능한양자칩을개발하였고, 양자컴퓨터의하이브리드방식을제창하였음 마티니교수는양자컴퓨터가안정적으로작동할수있는기술을주제로연구를진행하고있으며, 구글에합류하기전인 2014 년 4 월마티니교수팀은 5 큐비트로구성된프로세서를개발해네이처에논문을발표한바있음 마티니교수팀의양자컴퓨터칩은 조지프슨양 자프로세스 (Josephson Quantum Processor) 라 < 자료 > Martinis Group 불리며, 사파이어기판에알루미늄회로를증착 [ 그림 4] 마티니교수팀의 5 큐비트프로세한모양을띠고있음 ( 조지프슨효과는두개의초전도체가절연막으로격리되어있을때양자사이에전위차가없어도전류가흐르는현상 ) 2015 년 5 월구글은 9 개의큐비트로구성된양자칩을발표했으며, 이칩은초전도양자회로로구성되어오류를보정하는기능을갖고있음 큐비트는불안정하여환경변화나노이즈에의해상태가변화되어오류가발생하기쉽기때문에큐비트개발시에오류감지및보정은매우어려운것으로알려져있음 이문제를해결하기위해구글은 양자오류보정 (Quantum Error Correction: QEC) 이라는기능을프로세서에구현하여오류를감지하고오류발생을억제할수있게되었음 < 자료 > Martinis Group [ 그림 5] 구글의 9 큐비트양자칩 2016 년 6 월, 구글의하드웨어연구부문은 초전도회로를가진디지털화된단열양자컴퓨팅 (Digitized adiabatic quantum computing with a superconducting circuit) 이라는논문을발표하고, 아날로그양자컴퓨터에디지털기술을통합하여아날로그방식의약점을보완하는방식을공개 < 자료 > Google 아날로그방식은 단열양자컴퓨팅 (Adiabatic Quantum Computing) 을말하며, 디지털화되었 [ 그림 6] 하이브리드단열양자컴퓨팅 38 www.iitp.kr
최신 ICT 이슈 다는것은개별큐비트를조작하는기술을말하는데, 구글의하이브리드방식은양자컴퓨터를구성하는개별큐비트를조작하는것이핵심임 이처럼구글은 D-웨이브를사용하여양자컴퓨터연구를시작하며기초기술을습득했지만, 이후마티니교수팀을중심으로독자적인양자칩을개발하여, 이를 D-웨이브의시스템에탑재하여가동시킴으로써차별화된하이브리드기술방식을만들어나가고있음 양자컴퓨터분야에서구글은후발주자로핸디캡을안고있지만, 인공지능이나자율운전차에서와마찬가지로파격적투자를통해단숨에양자컴퓨터정상등극을노리고있음 하이브리드방식의양자컴퓨터는처음시도되는것이어서상용화가가능한시스템인가에대한의문이제기되고있는데, 구글은자신들만이이방식을추진하려하기보다는벤처기업들의적극적인동참과활약을기대하고있음 구글은많은스타트업들이하이브리드방식에관심을보이게되면여기에서혁신이태어날것으로기대하고있으며, 연구자들대부분이아날로그방식양자컴퓨터에대해회의적이었지만구글이이를개선하여새로운길을제시하면서연구자들의관심이새롭게모이고있음 구글이하이브리드방식의양자컴퓨터기술상용화를발표한직후, IBM 은디지털방식의양자컴퓨터 IBM Q 를몇년이내에상용화하겠다는계획을발표하였음 IBM Q 는 범용양자컴퓨터 (Universal Quantum Computer) 로자리매김하고, 머신을디지털로제어하여범용적인작업을수행하게한다는계획이며, 원래이모델의출시는 10 년후로예상되었지만이번발표로 IBM 은상용화일정을대폭앞당겼음 양자컴퓨터기술분야에서는 IBM 이크게앞서있고구글이도전하는구도이며, 구글은양자자컴퓨터개발을제로에서부터시작했기때문에격차가매우큰상태 그러나 AI 와자율운전자동차개발에서도백지상태에서출발했지만지금은기업인수와파격적인기술력으로전세계선두를달리고있는것처럼, 구글은양자컴퓨터기술개발에서도유사한방법을사용해단기간내에정상의자리를노릴것으로예상됨 IBM 에이어구글이가세함으로써양자컴퓨터개발경쟁이점차최고조를향해전개될것으로예상되는가운데, 관련기술의진화가폭발적으로진행될흐름이도래하고있음 양자컴퓨터는인공지능기술과도밀접한관련이있는만큼, 수년내본격적인양자컴퓨터의상용화는기술의발전이기하급수적속도로이루어지는 특이점 (Singularity) 도달속도를크게앞당길것으로예상됨 정보통신기술진흥센터 39
[ 참고문헌 ] [1] MIT Technology Review, Google s New Chip Is a Stepping Stone to Quantum Computing Supremacy, 2017. 4. 21. [2] Singularity Hub, This Is What Makes Quantum Computers Powerful Problem Solvers, 2017. 3. 30. [3] HPC Wire, Quantum Bits: D-Wave and VW; Google Quantum Lab; IBM Expands Access, 2017. 3. 21. [4] Nature, Commercialize quantum technologies in five years, 2017. 3. 3. 40 www.iitp.kr