발행일 2018. 04. 30 발행처융합연구정책센터 2018 APRIL vol.119 Technology Industry Policy 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술 문성욱 김보림한국과학기술연구원 융합연구정책센터양자정보연구단 융합연구정책센터 Convergence Research Policy Center
Technology Policy Industry 융합연구정책센터 Weekly TIP 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술문성욱 한국과학기술연구원양자정보연구단 선정배경 01 현재의디지털방식컴퓨터는소자의소형집적화로인해근본적인한계점이존재 - 0 과 1 로정보를저장하는반도체메모리소자는원자이하로소형화가불가능 - 원자수준의크기에서는필연적으로양자역학적현상이나타남 정보통신기술의패러다임을바꿀국가전략기술인양자컴퓨터는 4 차산업혁명을주도할핵심기술로대두 - 양자컴퓨팅기술은 꿈의컴퓨터, 미래산업의핵심 등으로불리며각국정부의미래국가전략 기술로부상 - Google, IBM, Intel, Microsoft 등주요 IT 글로벌기업들의대규모투자및연구개발진행중 - MIT 테크놀로지리뷰는 2017 년선정 10 대혁신기술로 실용적인양자컴퓨터 (Practical Quantum Computers) 를선정 (R. Juskalian (2017)) 이에, 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술의기술동향및응용가능분야에대해알아보고자함 양자컴퓨팅기술개요 02 ( 정의 ) 양자중첩 (Quantum superposition), 양자얽힘 (Quantum entanglement) 등양자역학적현상을이용하여연산을수행하는컴퓨팅기술 ( 정보의표현방식 ) 양자컴퓨팅기술은기존디지털방식의컴퓨팅과근본적으로다른방식의정보처리체계임 02
2018 April vol.119 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술 - 디지털컴퓨터 : 비트 (binary digit) 에정보를표현및처리 - 양자컴퓨터 : 큐빗 (quantum bit) 에정보를표현및처리 - 기존디지털방식의컴퓨터는 0 또는 1의비트에정보를저장하여연산을수행하는반면, 양자컴퓨터는 0과 1의값을동시에가질수있는큐빗에정보를저장하여혁신적인연산가능 그림 1. 기존컴퓨터와양자컴퓨터의정보인코딩방식차이 디지털비트 (Bit) 큐빗 (qubit) 양자컴퓨터의주요개념 03 양자중첩 (Quantum superposition) - 0과 1이양자시스템에서허용되는가능한상태라면 0과 1이섞여있는상태역시가능한양자상태를의미 - 즉, 하나의큐빗을이용하여두가지상태를동시에표현가능함 ( 압축적정보의표현가능 ) 03
Technology Policy Industry 융합연구정책센터 Weekly TIP 양자측정 (Quantum measurement) - 0 과 1 이중첩된큐빗은 양자측정 에의해 0 과 1 의값으로붕괴 (collapse) 되어측정되며, 0 또는 1 로붕괴되어측정될확률은큐빗의중첩된정도에의해결정 양자얽힘 (Quantum entanglement) - 두개이상의큐빗에서나타나는현상으로고전역학으로는설명할수없는상관관계의미 - 예를들어, 서로얽혀있는큐빗두개중하나의큐빗에양자측정을하면측정값이나머지다른큐빗의양자상태에영향을줌 양자컴퓨팅응용분야 04 양자컴퓨터는암호해독, 최적화, 양자시뮬레이션등특정난제해결에유용하게활용될것으로예상됨 (M. Carrel-Billiard 외 (2017), 이효정외 (2017)) - ( 암호해독 ) 현대암호체계의보안성은대수의소인수분해계산과같은수학적계산복잡성에기반 (RSA 암호체계 ) 하나, 양자컴퓨터의개발로암호체계해독이가능할것으로예상 - ( 최적화 (Optimization)) 양자컴퓨터로다양한시나리오중최적의시나리오도출이가능하므로, 향후제조, 물류, 구매등공급망 (Supply chain) 최적화를통한비용절감이가능할것으로예상 - ( 양자시뮬레이션 (Quantum Simulation)) 양자역학법칙을따르는원자또는분자구조영역에서 양자컴퓨터를통한효율적인시뮬레이션이가능하며이를바탕으로신물질탐구및신약개발에 활용될것으로전망 그림 2. 양자컴퓨터의주요예상활용분야 암호해독 빅데이터처리 신약개발 기계학습 인공지능 04
2018 April vol.119 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술 양자컴퓨팅주요플랫폼및기술수준 05 ( 주요플랫폼 ) 양자컴퓨터를구현하기위한플랫폼으로여러큐빗시스템이연구되고있음 - 양자컴퓨팅을위한큐빗은양자역학적특성을보여주는물리계를통해구현할수있으며, 주로이온트랩, 초전도체, 광자등의단일물리계를이용한방식들에대한연구가활발히진행중 - 현재의단일물리계기반양자컴퓨팅플랫폼은제어가능한큐빗을최대한확보할수있지만, Large-scale 양자컴퓨팅확장및양자네트워크연계가능성은미지수 - 단일물리계기반플랫폼이가지는한계를극복하고 Large-scale 양자컴퓨팅구현을위해두개의큐빗플랫폼을융합하는하이브리드방식의플랫폼연구도활발히추진중 그림 3. 양자컴퓨팅구현을위한주요플랫폼 단일물리계양자컴퓨팅플랫폼 photonic system lon trap superconductor Diamond Neutral atom Quantum dot 하이브리드양자컴퓨팅플랫폼 2. 스핀 - 광자양자인터페이스 3. 광자기반양자채널 1. 양자노드 ( 스핀큐빗 ) 05
Technology Policy Industry 융합연구정책센터 Weekly TIP ( 기술수준 ) 작은규모의양자정보처리프로세서가구현됨으로써양자컴퓨팅기술발전 7 단계중현재 4 단계달성 - 양자컴퓨팅기술완성을위해단계별주요이슈달성이선제되어야함 - IBM, Google, Intel 등글로벌 IT 기업을중심으로양자컴퓨팅방식이기존디지털컴퓨팅 방식보다우월함을실증하기위한노력들이진행중 ( 현재 5 단계양자우월성검증추구 ) 그림 4. 양자컴퓨팅기술의발전 7 단계 7 6 5 4 3 2 1 논리 qubit 및양자오류정정코드기반 Fault-tolerant 양자컴퓨팅구현 양자오류정정기반논리 qubit 의생성, 제어, 측정 다중 qubit 기반양자우월성 (quantum supermacy) 검증 Small-scale 양자정보처리프로세서 3 개이상다중 qubit 양자얽힘상태생성및측정 2-quit 얽힘상태생성및측정 (2 큐비트양자게이트동작 ) 단일 qubit 생성, 제어, 측정 출처이효정외 (2017) 양자컴퓨팅기술개발동향 06 주요선진국들은정부주도로대규모연구개발사업진행 - 미국은 2000 년도후반양자기술관련다양한 R&D 프로그램지원을시작으로양자컴퓨터연구를주도 - 중국은최근정부주도의전폭적인지원을시작 ( 17 년약 13 조원지원 ) 06
2018 April vol.119 4 차산업혁명을이끌양자컴퓨팅기술 표 1. 해외주요선진국의기술개발동향 국가미국 EU 영국중국호주 내용 (2008년) 국가양자정보과학비전수립 IARPA, DARPA, NSF 등의다양한 R&D 프로그램지원 (2016년) 중장기연구개발프로젝트 Quantum Manifesto (10억유로 /10년) 발표 (2014년) 국가양자기술프로그램 (NQT: National Quantum Technology) 설립 (2억 7천만파운드 ) 옥스퍼드대학중심양자컴퓨팅연구허브설립 양자통신전용인공위성발사 (2017년) 국립양자정보과학연구소설립추진 ( 약 13조원규모 ) 양자기술관련 2개의수월성연구센터 (Center of Excellent) 지원 (CQC2T, EQUS) 표 2. 글로벌기업의기술개발동향 기업 Google IBM Intel Microsoft Rigetti ( 미국 ) IonQ ( 미국 ) 내용 (2014년) NASA와공동으로양자인공지능연구소설립 초전도체기반범용양자컴퓨팅시스템연구 (2016년) 5큐빗양자컴퓨터를클라우드서비스로대중에공개 (Quantum Experience) 20 큐빗양자프로세서파트너사에사용권부여 네덜란드양자컴퓨팅전문연구소 QuTech 에양자컴퓨터관련연구비지원 (5천만달러/10년) 범용양자컴퓨터연구 (2006년) 양자컴퓨터연구소 Station Q 설립 양자컴퓨터용소프트웨어개발및위상양자컴퓨터하드웨어연구 초전도기반양자컴퓨팅연구를위해 6천만달러투자유치 이온트랩기반양자컴퓨터연구 07
Technology Policy Industry 융합연구정책센터 Weekly TIP 시사점 07 ICT 와양자물리의융합을통해기존정보처리기술의한계를극복할수있는차세대미래기술인양자컴퓨팅기술은미래유망기술로관심도급증 인공지능, 기계학습, 빅데이터등에적극활용될것으로기대되는양자컴퓨팅기술은 4 차산업혁명을주도할핵심기술로최근전세계적으로대규모 R&D 진행중 양자컴퓨팅기술은물리학을기반으로전자공학, 정보통신공학, 재료공학, 컴퓨터공학등여러공학기술과융합이필요한과학기술로써장기적이고체계적인기술개발추진전략이필요 참고자료 > 1. R. Juskalian (2017), Practical Quantum computers: 10 Breakthrough Technologies 2017, MIT Technology Review. (https://www.technologyreview.com/lists/technologies/2017/, 최종접속 : 18.03.20) 2. M. Carrel-Billiard, D. Garrison, C. Dukatz (2017), Innovating with Quantum Computing, Accenture Labs 보고서 3. 이효정, 최연경, 김기범 (2017), 양자정보통신 ICT의새로운미래, 삼정 KPMG 경제연구원 4. 문성욱 (2017), ICT 패러다임을바꿀양자통신, 양자컴퓨터의부상, 제115회한림원탁토론회자료집 08