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by 이노핏파트너스 innoFIT Partners Aug 18. 2022

DX의 진정한 성공열쇠, 양자컴퓨터-1편

양자컴퓨터 이해하기(1)

양자 컴퓨터는 양자를 연산 재료로 활용해 병렬 연산을 수행하는 컴퓨터입니다. 이를 통해 기존 컴퓨터로 10억 년이 걸리는 계산을 양자 컴퓨터는 100초 이내에 끝낼 수 있습니다. 컴퓨터 연산이 워낙 빠르다 보니 이를 이용해 기존에는 몰랐던 필요성 있는 화학성분이나 약을 알아낼 수 있고, 인류가 신의 영역으로 진입하는데 더 가까이 갈 수 있다고도 하죠.

현재 컴퓨터의 정보 단위는 비트입니다. 0 혹은 1로 신호를 담아 이것을 연결해 정보를 처리하는 방식입니다. 하지만 양자 컴퓨터는 중첩이라는 개념이 추가되는데요. 중첩은 0과 1이 같이 있는 상태입니다. 그래서 4가지 상태(00, 01, 10, 11)를 가능하게 하고, n개의 큐비트(퀀텀비트, qubit)는 2의 n 제곱이 됩니다. 입력 정보량의 병렬 처리 때문에 연산 속도가 기하급수적으로 빨라지게 되는 겁니다. 1큐비트가 0과 1을 동시에 2개의 상태를 가지므로 1개 값만 가진 1비트에 비해 2배 빠른 계산이 가능합니다. 2큐비트는 00, 01, 10, 11, 4개의 상태를 동시에 가져 2비트보다 4배 빠르고 3큐비트는 8배, 4큐비트는 16배로 늘어납니다.

정부에서는 ‘2030 양자기술 4대 강국 진입’을 목표로 2021년 4월 ‘양자기술 연구개발 투자전략’을 발표한 바 있습니다. 현재 8큐비트 수준에서 2024년까지 50큐비트급 한국형 양자컴퓨팅 시스템(KQIP)을 구축하고 2028년까지 100큐비트급 기술력을 확보한다는 목표입니다. 양자컴퓨팅의 경우, 현 디지털컴퓨터보다 30조배* 이상 빠른 연산이 가능하여 산업 전반에 새로운 가능성과 기회를 창출할 것으로 예상됩니다.

*2,048비트 RSA 공개키 암호를 푸는데 슈퍼컴퓨터는 100만년 이상, 최고 수준 양자컴퓨터는 1초 소요

양자기술 활용 분야 (출처 : 과학기술정보통신부)

지난해 7월에는 산학연 협력을 위해 삼성, LG, 포스코, 한국전력 등이 참여한 협의체인 ‘미래양자융합포럼’을 출범했습니다. 삼성전자와 LG전자도 ‘IBM 퀀텀 네트워크’에 합류해 IBM의 양자컴퓨팅을 활용, 인공지능, 커넥티드카, 사물인터넷, 빅데이터 등의 미래 기술 개발에 박차를 가한다는 계획입니다.

이번 트렌드에서는 향후 디지털 트랜스포메이션 성공에 결정적인 역할을 수행하게 될 양자컴퓨터 기술과 향후 상용화 전망을 개략적으로 살펴보도록 하겠습니다.

오늘의 주제 : 양자컴퓨터

#양자컴시대 : 1만년 걸릴 연산을 200초에? 슈퍼컴 넘는 '양자컴' 도래

#보안 : 10년 후의 양자컴퓨터 기술, 가상화폐도 훔칠 수 있다고?

#시장 : 100조원 규모… 양자컴퓨터 시대 '성큼'

#미래 : 양자컴퓨터의 미래, 장밋빛일까 또는 악몽일까?

#양자컴퓨터시대 #양자컴이해 #주요기업

1만년 걸릴 연산을 200초에? 슈퍼컴 넘는 '양자컴' 도래

한계에 도달한 컴퓨터 성능

우리 삶에 많은 변화를 가져온 컴퓨터는 어느덧 스마트폰처럼 손바닥보다 작은 크기로 줄었으며, 연산능력은 비약적으로 발전했습니다. 특히 네트워크 기술의 발전은 여러 컴퓨터를 하나로 묶어서 성능을 강화하고, 인공지능 기반 서비스를 일상에서 제공할 수 있게 되었습니다. 하지만 이러한 성능발전에도 불구하고, 기존의 컴퓨터로는 처리가 어려운 문제들이 등장했는데요. 다양한 가능성을 포함해 기후변화를 예측하거나, 코로나19에 대응하는 신약을 개발하는 등의 복잡한 데이터를 빠르게 처리하는데는 한계에 이르렀기 때문입니다.

슈퍼컴 이후 양자컴 시대

양자컴퓨터는 거대하고 복잡한 데이터를 처리하는데 특화된 컴퓨터입니다. 수많은 변수가 들어가는 시뮬레이션을 통해 효율적 배터리를 만드는 걸 지원할 수 있고, 복잡한 글로벌 물류 문제를 풀어 최적의 경로를 찾거나 기후변화에 대한 예측 정확도를 높일 수 있습니다. 또 금융 분석과 투자 최적화, 인공지능 개선 등은 물론 분자구조를 연구하는 양자화학에도 활용할 수 있습니다. 다임러AG는 이를 기반으로 리튬-황배터리의 화학적구조를 최적화해서 배터리 성능을 개선할 계획이며, JP모건체이스는 거래전략개선과 재무리스크분석을 위해 양자컴퓨터를 연구중이라고 합니다.

이러한 개념은 50여년전에 이미 등장했는데, 1981년 IBM과 MIT가 개최한 컴퓨터 물리학콘퍼런스 기조연설에서 물리학자 리처드 파인만은 자연은 양자화돼 있으며 이를 표현하기 위해서 양자컴퓨터가 필요하다고 언급한 바 있습니다.

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주요 양자컴퓨터 기업과 기술 현황 (출처 : 아주경제 / 수정 : 이노핏파트너스)

#사이버보안 #양자우월성 #시커모어

10년 후의 양자컴퓨터 기술, 가상화폐도 훔칠 수 있다고?

‘양자컴퓨터’ 시대의 새로운 고민

지난 4월 말 열린 세계경제포럼(WEF) 온라인 세션에서는 ‘양자 컴퓨팅이 가상화폐의 기반 기술인 블록체인 네트워크를 해킹할 수 있느냐’가 쟁점이 됐습니다. 블록체인은 전 세계에 퍼져 있는 수많은 네트워크 참여 컴퓨터에 정보를 분산 저장하는 기술이어서 위·변조와 해킹이 불가능하다고 알려져 있는데요. 하지만 이 온라인 세션에서 전문가들은 “양자 컴퓨터를 활용하면 막대한 양의 가상화폐를 훔칠 가능성이 충분하다”고 결론 내렸다고 합니다.

시커모어를 소개하고 있는 구글 CEO (출처 : 구글 / 조선일보)

구글은 지난 2019년에 53큐비트(양자 컴퓨터 성능 단위) 양자 컴퓨터 '시커모어'를 공개한바 있습니다. 기존 최고 성능의 수퍼 컴퓨터가 1만년 걸릴 과제를 약 200초면 풀 수 있는데, 양자 컴퓨터 성능이 기존 슈퍼 컴퓨터를 넘어서는 ‘양자 우월성(Quantum supremacy)’에 도달했다고 입증한 건 시커모어가 처음이었습니다.

순다르 피차이 구글 CEO(최고경영자)는 지난 2020년 WEF에서 “앞으로 5~10년 사이에 양자 컴퓨터가 오늘날 우리가 알고 있는 모든 암호화를 깨뜨릴 것”이라고 말한 바 있습니다.

양자 컴퓨터 시대가 코앞에 다가오면서 사이버 보안에 대한 우려도 덩달아 높아지고 있습니다. 최근 몇 년 새 IBM과 구글, 마이크로소프트, 인텔, 아마존 등 거대 기술 기업들이 양자 컴퓨터 상용화에 성큼 다가가면서 기존 암호화 체계가 송두리째 무너질 수 있다는 걱정이 커진 것입니다.

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#양자컴시대성장 #산업투자 #6G

100조원 규모… 양자컴퓨터 시대 '성큼'

양자컴퓨터 시장의 급속한 성장, 중국도 본격 참여
양자컴퓨터는 양자역학 개념을 도입해 방대한 데이터를 순식간에 처리할 수 있어 '꿈의 컴퓨터'라 불리기도 합니다. 세계 각국에서 양자컴퓨터를 둘러싼 패권 경쟁이 열리며 상용화가 당초 예상보다 앞당겨지고 있다는 분석입니다. 양자컴퓨터는 아직 신생 분야이기 때문에 현재 기초 연구를 위한 자금은 대부분 각국 정부의 주도로 이뤄지고 있는데요.

글로벌 컨설팅회사 맥킨지의 최근 보고서에 따르면 양자컴퓨터를 통해 기업들이 창출해 낼 가치는 약 95조7600억원(800억 달러)으로 약 100조원 규모에 육박합니다. 현재 가장 앞서 있는 국가는 중국으로 양자컴퓨터 개발에 약 15조원을 투자한다고 밝혔습니다. 2위는 유럽연합(EU)으로 양자컴퓨터에 약 7조2000억원을 투입한다는 계획을 공개했습니다. 그 뒤를 미국이 1조3000억원, 영국이 1조2000억원 등으로 집계되었다고 합니다.

민간 기업의 투자도 늘어나고 있습니다. 지난해 글로벌 양자컴퓨터 스타트업의 투자액 규모는 약 2조300억원(17억달러)로 집계되었는데 이는 2020년 대비 두 배 이상 늘어난 수치입니다.

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LG유플러스, 양자컴퓨터로 지상 2,000㎞ 저궤도 위성 네트워크 최적화 알고리즘 연구

LG유플러스는 한국과학기술원(KAIST)과 협력해 양자컴퓨터로 6G 저궤도위성 네트워크 최적화 연구를 진행했다고 밝혔습니다. 지난해 12월부터 LG유플러스와 KAIST 이준구 교수 연구팀, 한동수 교수 연구팀은 6개월간 세계 최초로 상용화된 D-웨이브(D-wave) 양자컴퓨터를 사용해 6G 저궤도위성 네트워크 망 구조 최적화를 연구했습니다.

위성 네트워크에서는 데이터가 오고 가는 경로가 연결점(node)의 수에 비례해 늘어납니다. 그래서 위성끼리 통신이 가능한 거리에 접근하면 망을 수시로 재구성해야 하는데, 이 때 가장 빠른 경로를 찾아 데이터를 전송하도록 네트워크 최적화가 필요한데요. 특히 6G 저궤도위성 네트워크 최적화에는 고난도 기술이 필요합니다. 200~2천km 상공에 떠있는 저궤도위성은 고도 3만6천km에 고정된 정지궤도위성과는 달리 위성의 위치가 실시간으로 바뀌는데, 단시간에 최적의 네트워크 구성을 찾아내야 하기 때문입니다.

연구팀의 양자컴퓨터를 이용한 위성 네트워크 최적화 알고리즘은 기존 최적화 알고리즘 대비 홉(Hop)의 수와 경로 길이가 획기적으로 감소하는 결과를 얻었다고 합니다. 이를 통해 위성통신 환경에서도 지상통신과 차이가 없는 초성능(1Gbps 이상의 이용자 체감속도)·초정밀(종단간 5ms 이하의 지연시간) 서비스를 구현할 수 있다는 것을 확인했습니다. 이 기술이 상용화되면 6G에서 추구하는 ‘초공간성’을 구현할 수 있을 것으로 전망됩니다. 지상뿐만 아니라, 비행기나 사막 등 지금은 통신서비스가 불가능한 지역에서도 6G 통신이 가능해지는 것입니다.

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(출처 : LG유플러스/디지털투데이)

#양자컴퓨터미래 #전망 #Discovery

양자컴퓨터의 미래, 장밋빛일까 또는 악몽일까?

두가지 질문에 대한 대답?

양자 컴퓨팅의 기본정보 단위인 큐비트 연구가 발전을 거듭하며 양자컴퓨터에 대한 관심이 뜨거웠던 1996년, 프랑스 물리학자 세르주 아로슈 콜레주드프랑스 교수는 이 같은 질문에 후자를 택했습니다. 그는 양자 전문가로 1988년 아인슈타인상 2012년 노벨물리학상을 받은 인물입니다. 아로슈 교수는 양자컴퓨터 자체에 대한 지나친 관심이 오히려 개발에 독이 될 수 있다고 봤는데요. 양자 컴퓨터를 구현하는 기반이 되는 양자 정보과학에 대한 연구를 깊게 하는 것이 우선이 돼야 한다고 강조했습니다.

김윤호 포스텍 물리학과 교수는 지난 2월 한림원탁토론회 ‘양자컴퓨터의 전망과 도전, 우리는 무엇을 준비해야 할까’에서 이 같은 점을 강조한 바 있습니다. 그는 “양자 컴퓨터에 대한 말이 많지만 지금 현재 양자 컴퓨터가 존재하지 않는다는 인식을 가져야 한다”며 “양자 컴퓨터나 양자 인터넷 개발 같은 주장보다는 양자정보과학 연구를 깊게 하는 것이 상당히 중요하다”고 말했습니다. 김 교수는 “단지 무엇을 개발하기 위해 지원해야 한다는 식의 맹목적 지원은 지양해야 한다”며 “흔히 연구(Research)와 개발(Development)의 앞 글자를 따서 'R&D(연구개발)'이라고 하는데, 양자정보과학에서는 D를 바꿔 ‘발견(Discovery)’의 관점에서 봐야 중요한 성과를 낼 수 있을 것”이라고 말했습니다.

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큐레이터 / 이노핏파트너스 문인찬 전문교수
글 정리 / 이노핏파트너스 마케팅팀

큐레이터의 시선

과학기술발전의 역설

오늘날의 디지털 전환 세계에서 과학기술의 발전이 중요한 역할을 하고 있다는 것은 누구도 부정할 수 없는 사실이 되었습니다. 특히 인간뿐 아니라 모든 생명체의 생물학적 성질을 바꾸어놓을 수 있는 수준까지 발전한 생명공학(biotechnology: 이하 BT)의 등장과 본격적 성장은 이제 인류가 '생명공학의 세기'로 접어들었다는 선언이 나올 만큼 커다란 변화를 예상케 하고 있습니다. 이와 함께 정보기술의 발전도 그 수준이 신의 영역을 침범할 수준으로 발전하고 있어 기술이 지니는 위험을 경고하고 있습니다. 특히 과학적 기술의 발전이 정치의 대상(또는 더 나아가서 정치의 주체)으로 변환될 경우 그 위험성은 상당히 높아진다고 보아야 합니다.

인간의 존엄성을 기반으로 한 새로운 윤리체계의 필요성

그럼에도 불구하고 과학기술의 발전은 되돌릴 수 없는 문명발전의 추세라고 볼 수 있습니다. 다만 결국 '인간의 존엄성'만을 중심으로 삼았던 기존의 윤리관념도 새로운 성찰을 해야 할 필요성이 생겨났습니다. ‘인간’에게만 존엄성을 부여하고 ‘비인간’에게는 어떤 존엄성도 부여하지 않는 인간중심적 윤리를 계속적으로 고수할 경우 과힉기술의 발전에 따른 다양한 세계관을 포괄하기 어렵다는 점에서 주목할 필요가 있습니다. 사이버 인간을 포함해서 인공지능이 난무하는 세상에서 인간이라는 존재적인 의미에 너무 몰입할 경우 과학기술의 발전은 어느 순간 한계에 부딪힐 수 밖에 없습니다. 지나친 정치화를 기피하면서 인간과 비인간을 포함한 세계적인 발전, 나아가서 우주적인 발전을 목표로 과학기술을 발전시키고 활용한다면 좋은 의도로 개발된 기술이 나쁜 목적으로 사용되는 가능성을 최소화시킬 수 있을 것이라고 생각합니다.